KR20210093153A - 분산 어레이 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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KR20210093153A
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라드와눌 하산 시디크
다니엘 아슘카오
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삼성전자주식회사
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Abstract

광학 분광기는 전자기파의 스펙트럼 구성 요소를 결정하는 데 사용될 수 있다. 분광기는 크고 부피가 큰 장치일 수 있고, 측정을 기록하기 위해 거의 직접적인 입사각으로 들어오는 파들이 필요할 수 있다. 개시된 것은 광 분산 기술로서 나노포토닉(nanophotonic) 구성 요소를 갖는 초소형 분광기이다. 나노포토닉 구성 요소는 메타표면과 브래그 필터(Bragg filter)를 포함할 수 있다. 각각의 메타표면은 큰 입력 각도를 생성하기 위해 랜덤화될 수 있는 광 산란 나노구조를 포함할 수 있고, 브래그 필터는 입력 각도에 독립적으로 광 분산을 초래할 수 있다. 분광기는 약 200 nm 대역폭을 다룰 수 있다. 초소형 분광기는 가시광선(400-600 nm)의 이미지 데이터를 판독하고 근적외선(700-900 nm)의 스펙트럼 데이터를 판독할 수 있다. 분광기의 표면적은 약 1mm2로 모바일 장치에 적합할 수 있다.

Description

분산 어레이 및 그의 제조 방법 {Dispersion array and method of fabricating thereof}
본 명세서에 개시된 발명은 분광기(spectrometer)에 관한 것이다. 예를 들어, 일부 예시적인 실시예들의 양태는 메타표면(metasurface) 구성 및 제조 방법, 분광법(spectroscopy) 및 이미징, 그리고 분광기 구성 요소에 관한 것이다.
광 분광법(optical spectroscopy)은 과학적 연구에서 산업 및 의료 애플리케이션에 이르기까지 다양한 환경에서 핵심 특성화 기술이다. 분광기는 스펙트럼 선(spectral line)을 생성할 수 있으며 그들의 파장과 강도를 측정할 수 있다. 분광기는 회절 격자 또는 프리즘과 같은 분산 요소를 사용하여, 검출기에 들어오는 빛을 집속시키는 초점 광학 장치에 동반되는 파장 의존 각도 분산(wavelength-dependent angle dispersion)을 달성한다. 이러한 분광기들은 부피가 크고 각도 공차(angular tolerance)가 낮기 때문에 (각도 공차는 입사광이 분광기에 입사되어 분광법이 수행될 수 있는 각도이다), 모바일 장치에서의 사용을 제한한다; 따라서, 각도 공차가 높은 소형 분광기에 대한 요구가 존재한다.
본 섹션에 개시된 상기 정보는 개시되는 기술의 배경에 대한 이해를 높이기 위한 것일 뿐이므로 선행 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 목적은 스마트폰과 같은 휴대 장치에 사용될 수 있는 높은 각도 공차를 갖는 소형 분광기를 제공하는 데 있다.
일 실시예에 따르면, 개구, 분산 어레이, 렌즈, 이미지 센서 및 프로세서를 포함하는, 이미지 센서가 제공될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 입사광을 수신하는 것; 산란층을 통해 상기 입사광을 산란하여 산란광을 생성하는 것; 상기 산란광의 서브세트(subset)를 분산층을 통해 분산시켜 분산광을 생성하는 것; 상기 분산광을 이미지 센서에서 수신하는 것; 및 상기 분산광으로부터 스펙트럼 데이터(spectral data)를 재구성하는 것을 포함하는, 센서로부터 스펙트럼 데이터를 얻기 위한 방법이 제공될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 표적 파장의 0° (degree) 분산으로 시작하는 타겟 파장 범위의 빛을 분산시키는 적어도 하나의 분산 구조를 포함하되, 상기 분산 구조는 나노구조층 및 필터층을 더 포함하는 분산 어레이가 제공될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 기판 상에 제1 필터 스택을 증착하는 것; 결함층을 증착하는 것; 캐핑 스택을 증착하는 것; 및 상기 캐핑 스택에 나노구조를 형성하는 것을 포함하는 분산 어레이 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 스마트폰과 같은 휴대 장치에 통합할 수 있는 고성능 초소형 분광기를 포함할 수 있다. 상기 분광기는 장치의 처리량을 증가시키고, 분광기와 분광 타겟 간의 더 큰 오정렬을 허용하여 잠재적으로 더 큰 시야를 가질 수 있도록 높은 공차 각도를 가질 수 있다.
이하 섹션에서, 본 명세서에 개시된 발명의 양태는 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 분광기 센서의 작동 원리를 도시한다.
도 2는 소형(compact) 분광기의 실시예의 구성을 도시한다.
도 3은 발명의 일부 실시예들에 따른, 광 분산(light-dispersion) 어레이의 평면도를 도시한다.
도 4는 발명의 일부 실시예들에 따른, 분산 구조의 측면도를 도시한다.
도 5는 발명의 일부 실시예들에 따른, 층 및 나노구조 형성의 제조 다이어그램을 도시한다.
도 6은 발명의 일부 실시예들에 따른, 분산 구조의 평면도를 도시한다.
도 7은 발명의 일부 실시예들에 따른, 나노구조의 밀도 및 그들의 메타표면 광 분산 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 발명의 일부 실시예들에 따른, 나노안테나를 갖는 메타표면을 도시한다.
도 9는 발명의 일부 실시예들에 따른, 미가공 데이터(raw data)를 재구성된 이미지 및 스펙트럼 성분으로 처리하고(processing), 다양한 파장에서의 분산 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 발명의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 분산 구조에서 선택 파장에서의 산란에 대한 각도 응답을 나타낸 그래프이다.
도 11은 발명의 일부 실시예들에 따른, 두 영역의 검출 픽셀을 갖는 이미지 센서를 도시한다.
도 12는 발명의 일부 실시예들에 따른, 미가공 이미지(raw image)를 스펙트럼 및 가시(visible) 이미지 데이터로 처리한 것을 도시한다.
도 13은 발명의 일부 실시예들에 따른, 분산 구조의 제조 공정을 도시한다.
이하의 상세한 설명, 다수의 구체적인 세부 사항들은 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 개시된 양태는 이러한 특정 세부 사항 없이도 실시될 수 있다는 것이 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 방법, 절차, 구성 요소 및 회로는 본 명세서에 개시된 주제를 모호하게 하지 않기 위해 상세하게 설명되지 않았다.
본 명세서 전반에 걸쳐 언급되는 “일 실시예”는 실시예와 관련하여 기재된 특정 기능, 구조 또는 특성이 여기에 개시된 적어도 하나의 실시예에 포함될 수 있음을 의미한다.　따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 “하나의 실시예에서” 또는 "일 실시예에서" 또는 "일 실시예에 따른"(또는 유사한 의미를 갖는 다른 어구)이라는 문구의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.　더욱이, 특정 기능, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 결합될 수 있다. 또한, 본 명세서의 설명의 문맥에 따라 단수 용어는 상응하는 복수 형태를 포함할 수 있고, 복수 용어는 상응하는 단수 형태를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 하이픈으로 연결된 용어(예를 들어, “2-차원”, “미리-결정된”, “특정-픽셀의” 등)는 때때로 상응하는 하이픈이 없는 버전(예를 들어, “2 차원”, “미리 결정된”, “특정 픽셀의” 등)과 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 그리고, 대문자 항목(예를 들어, “Counter Clock”, “Row Select”, “PIXOUT” 등)은 상응하는 대문자가 아닌 버전(예를 들어, “counter clock”, “row select”, “pixout” 등)과 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 이러한 상호 교환 사용은 서로 일치하지 않는 것으로 간주되어서는 안 된다.
본 명세서에서 도시되고 논의되는 다양한 도면(구성 요소 다이어그램을 포함)은 단지 예시적 목적을 위한 것이며, 비율대로 그려지지 않았다는 점에 유의해야 한다. 마찬가지로, 다양한 파형 및 타이밍 다이어그램은 단지 예시적 목적을 위한 것이다.　예를 들어, 일부 요소의 치수는 명확성을 위해 다른 요소에 비해 과장될 수 있다.　또한, 적절하다고 간주되는 경우, 도면들 간에 참조 번호가 반복되어 상응하는 및/또는 유사한 요소를 표시한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 일부 예시적인 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 청구하는 주제를 제한하고자 하는 것이 아니다.　본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥 상 달리 명확하게 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하도록 의도된다.　본 명세서에서 사용되는 "포함하는" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 언급된 특징, 정수, 단계, 연산, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 명시하며, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 연산, 요소, 구성 요소 및/또는 그러한 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는다는 것이 추가로 이해될 것이다. 본 명세서에 사용되는 용어 "제1", "제2" 등은 선행하는 명사들의 라벨로 사용될 뿐이고, 그렇게 명시적으로 정의되지 않는 한 어떤 유형의 순서(예를 들어, 공간적, 시간적, 논리적 등)를 의미하지 않는다. 또한, 동일하거나 유사한 기능을 갖는 부품, 구성 요소, 블록, 회로, 유닛 또는 모듈을 지칭하기 위해 2개 이상의 도면에 걸쳐 동일한 참조 번호가 사용될 수 있다.　그러나 이러한 사용법은 설명의 단순성과 논의의 용이성을 위한 것일 뿐이다;　이러한 구성 요소 또는 유닛의 구조 또는 구조적 세부 사항이 모든 실시예들에 걸쳐 동일하다거나 일반적으로 참조되는 부품/모듈이 본 명세서에 개시된 예시적인 일부 실시예들을 구현하는 유일한 방법이라는 것을 의미하지는 않는다.
어느 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층의 '상'에 존재하거나, 다른 요소 또는 층에 “연결된” 또는 “결합된” 것으로 언급될 때, 다른 요소 또는 층 상에 직접 존재하거나, 직접 연결되거나 또는 직접 결합된 것으로 이해될 수 있고, 또는 다른 요소 또는 층이 그 사이에 개재되는 것으로 이해될 수 있다. 대조적으로, 어느 요소가 다른 요소 또는 층에 "직접 연결되어 있는", "직접 연결되는" 또는 "직접 결합된" 것으로 언급되는 경우, 중간에 있는 요소 또는 층이 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.　동일한 참조 번호는 전체에 걸쳐 동일한 요소를 나타낸다.　본 명세서에서 사용되는 용어 "및/또는"은 하나 이상의 연관된 열거된 항목의 모든 조합들을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 (기술적이거나 과학적인 용어를 포함하는) 일반적으로 이 발명의 기술 분야에 속하는 통상의 기술자에 의해 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.　일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서 그 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며 여기서 명시적으로 정의되지 않는 한, 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
도 1에 예시적인 광학 분광기(100)가 도시되어 있다. 광원(101)이 제공될 수 있다. 광원(101)은 가시광선 스펙트럼 및 비가시광선 스펙트럼을 포함할 수 있으나, 장적외선(long infrared) (또는 그 아래) 에서 감마선까지의 스펙트럼을 가질 수도 있다. 광원(101)은 언급된 임의의 파장을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 광원(101)은 빛(사이의 물질에 의해 흡수될 수도 있고 흡수되지 않을 수 있으며, 흡수선(absorption line)을 생성하는)을 방출하는 뜨거운 고체, 또는 스펙트럼 선의 강도와 위치가 방출 물질의 특성과 방출 원인에 따라 달라지는 방출 스펙트럼으로부터 도출될 수 있다. 광원(101)의 입력은 공간 광이거나 광섬유로부터의 것일 수 있다. 광원(101)으로부터의 빛은 입사광 도달 각도(108)에서 입구 슬릿(102)을 통과한다. 입사광 도달 각도(108)는 일반적으로 입구 슬릿(102)의 개구에 따라 0° 내지 2° 일 수 있다.
입구 슬릿(102)은 정사각형, 직사각형 또는 다른 형상의 개구를 가질 수 있다. 분광기의 광학 해상도 및 처리량은 입구 슬릿(102)에 의해 결정될 수 있다. 분광기로 들어오는 빛은 입구 슬릿(102)에 집속될 수 있고, 입구 슬릿(102)은 빛이 다른 구성 요소를 통과할 수 있도록 광학 분광기(100)와 정렬될 수 있다. 슬릿의 너비는 일반적으로 5 μm 내지 800 μm, 높이는 1mm 내지 2mm이지만, 다른 크기를 가질 수 있다.
광원(101)이 입구 슬릿(102)에 입사하면, 입구 슬릿(102)과 시준 거울(collimating mirror)(103) 사이의 거리일 수 있는 초점 거리(107)을 갖는 시준 거울(103)에서 반사될 수 있다. 시준 거울(103)은 오목 거울일 수 있다. 시준 거울(103)은 광원(101)으로부터 빛을 수집하고 파들을 평행하게 회절 격자(104)로 향하게 할 수 있다.
회절 격자(104)는 시준 거울(103)에 의해 향해진 빛을 상이한 파장들로 분리할 수 있고, 상이한 파장들은 각 파장에 특정한 각도로 회절될 수 있다. 이러한 상이한 파장들은 회절 격자(104)를 통과하거나 상이한 회절 각도에서 반사될 수 있다. 상이한 파장 범위에 대해 상이한 투과 격자들이 사용될 수 있다. 회절 격자(104)는 홀로그래픽 격자 또는 괘선 격자(ruled grating)일 수 있다. 홀로그래픽 격자는 광학 유리 조각에 두 개의 자외선 광선을 간섭하여 개발될 수 있고, 이러한 경우 굴절률 변동의 사인 곡선 인덱스가 생성될 수 있다. 괘선 격자는 기판의 표면에 평행한 홈들을 식각하고 평행한 홈들을 반사 물질로 코팅하여 개발될 수 있다. 괘선 격자는 표면 결함들로 인해 더 많은 미광(stray light)을 생성할 수 있다. 괘선 격자의 단위 길이 당 홈들의 숫자 및 홈의 너비는 분산되는 빛의 양에 영향을 미칠 수 있다. 단위 길이 당 괘선 격자의 홈들의 숫자는 홈 주파수 또는 홈 밀도로 알려져 있다. 회절 격자(104)를 갖는 분광기의 파장 범위는 홈 밀도에 반비례할 수 있다.
광원(101)으로부터의 빛이 분산되고 회절 격자(104)로부터 반사된 후, 집속 거울(focusing mirror)(105)에 도달할 수 있다. 집속 거울(105)은 오목할 수 있고, 광선을 이미지 센서(106)에 집속할 수 있다. 이미지 센서(106)는 픽셀들을 포함할 수 있다. 집속 거울(105)은 선택 파장들로 분산된 빛의 이미지를 형성할 수 있다. 집속 거울(105)은 분산광을 다양한 파장들의 광선들로 반사할 수 있다. 다양한 파장들의 각 광선은 회절 격자(104) 및 집속 거울(105)에서 상이한 각도에 있을 수 있다. 이러한 광선들은 이미지 센서(106)의 픽셀들에 도달할 수 있고, 각 픽셀은 광선의 분산 각도에 기초하여 상이한 파장을 수신할 수 있다. 사용되는 이미지 센서는 측정된 파장에 따라 달라질 수 있고, 단파장 적외선(SWIR), 근적외선(NIR), 가시광선, 자외선(UV), X-선 등을 포함할 수 있다. 이러한 센서는 CCD(charge coupled device), CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor), NMOS(n-type metal-oxide-semiconductor), InGaAS, 증폭기를 갖는 Si 포토다이오드 어레이, PMT(photomultiplier), APD(avalanche photodiode) 또는 기타 센서일 수 있다.
집속 거울(105)에서 반사될 수 있는, 회절 격자(104)로부터의 빛의 확산은 이미지 센서(106)에 도달한다. 빛은 이미지 센서(106)의 픽셀들과 상호 작용하여 전압을 생성한다. 이미지 센서(106)의 크기는 시야에 영향을 미칠 수 있다. 이미지 센서(106)의 해상도는 픽셀 밀도, 픽셀 크기 및 집속 거울(105)과 이미지 센서(106)의 거리일 수 있는 집속 거울(105)의 초점 거리에 의해 결정될 수 있다. 초점 비율(focal ratio, 초점 거리를 집속 거울(105)의 직경으로 나눈 값), 센서의 픽셀 크기 및 양자 효율(이미지에서의 전자들의 수와 디지털들의 수 간의 변환으로 측정할 수 있는)은 이미지 센서(106)의 감도를 결정할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 프로세서는 픽셀의 세트에서 생성된 전압을 분석하여 공간 스펙트럼 분포(spatio-spectral distribution)를 해석할 수 있다.
파장들이 회절 격자(104)에서 함께 흐려질 수 있기 때문에 공진(resonance)의 천이(shift)가 발생할 수 있다. 이미지 센서(106)의 픽셀에 의해 판독될 때, 두 파장들이 회절되어 서로 중첩되면 블러(blur)가 발생할 수 있다. 블러는 회절 격자(104)의 해상력(resolving power)에 의해 유발될 수 있다. 회절 격자(104)의 격자들이 너무 얇거나, 서로 너무 가깝게 이격되거나 빛이 비스듬히 들어오면 파장들이 중첩될 수 있다. 파장들이 중첩되면, 파장들을 판독하는 능력이 저하된다. 공진의 천이는 신호 불량으로 이어질 수 있고, 각도 공차는 2° 미만일 수 있다. 도 1의 분광기는 단지 분광법(spectroscopy)을 제공할 수 있다. 설계 및 공간의 제약으로 인해, 분광법을 제공하는 동시에 타겟(특정 목적을 위해 별도의 광학 및 검출기 세트가 필요할 수 있는)을 이미징할 수 없다.
도 1의 분광기는 고도로 전문화된 애플리케이션에 기술 전문가가 사용할 수 있지만 구성 요소의 크기와 비용으로 인해 소비자 장치에는 사용할 수 없다. 스마트폰과 같은 휴대 장치에 통합할 수 있는 고성능 초소형 분광기를 구현하는 것이 유용할 수 있다. 고해상도, 높은 처리량 및 넓은 스펙트럼 범위와 같은 분광기의 성능 변수에 더해, 휴대용 분광기가 큰 입력 각도 공차를 갖는 것이 유용할 수 있다. 높은 각도 공차는 장치의 처리량을 증가시킬 수 있고, 분광기와 분광 타겟 간의 더 큰 오정렬을 허용할 수 있으며 잠재적으로 더 큰 시야를 가질 수 있다. 이것은 훈련되지 않은 사용자가 분광기를 손에 들고 고정된 실험실 설정에서 실행되는 것과 동일한, 정확한 정렬을 달성하지 않고도 좋은 측정값을 얻을 수 있는 휴대용 애플리케이션에 유용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 센서(200) (예를 들어, 분광기, 분광기 및 이미징 장치 등)를 도시한다. 센서(200)는 초소형 분광기 센서일 수 있다. 센서(200)는 또한 초소형, 결합된 이미징 및 분광기 센서일 수 있다. 입사광(201)은 개구(202)에 들어갈 수 있고, 개구(202)는 빛을 분산 어레이(204)에 집속하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 개구(202)는 시야를 +/- 15° 로 제한할 수 있고; 그러나, 일부 실시예에서, 시야는 더 크거나 더 작을 수 있다. 개구(202)는 근거리 분광법을 제공하기 위한 트리플렛 렌즈(triplet lens)일 수 있으나 다른 렌즈 유형일 수도 있다. 예를 들어, 개구(202)는 입구 슬릿(102)과 유사한 슬릿일 수 있고, +/- 30°와 같은 더 넓은 시야를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 분산 어레이(204)의 표면적은 대략 1 제곱 밀리미터일 수 있으나, 이보다 더 작거나 더 클 수 있다. 분산 어레이(204)는 나노포토닉(nanophotonic) 구성 요소를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 것과 같이, “산란”은 초기 궤적으로부터의 광선의 편차로 정의될 수 있다. “분산”은 구성 파장(constituent wavelength)으로 분리될 수 있는 빛으로 정의될 수 있다. 분산광은 산란광일 수도 있다.
분산 어레이(204)는 입사광(201)을 제1 및 제2 파장 범위들에서 산란시킬 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다. 분산 어레이(204)는 제1 파장 범위에서 빛의 분산이 거의 또는 전혀 없도록 통과하게 할 수 있고, 제2 파장 범위에서는 빛을 분산시킬 수 있다. 분산 어레이(204)는 개구(202)와 통합되어 개구(202)가 분산 어레이(204)와 동일한 공정으로 제조되도록 할 수 있다.
개구(202) 및 분산 어레이(204)를 통과하는 입사광(201)은 렌즈(205)를 통과할 수 있다. 렌즈(205)는 빛을 이미지 센서(206)에 집속시킬 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈(205)는 광학 렌즈, 메타렌즈, 또는 다른 렌즈일 수 있다. 대안적 실시예에서, 개구(202)는 분산 어레이(204) 및 렌즈(205)와 통합될 수 있다. 또 다른 대안적 실시예에서, 개구(202), 분산 어레이(204), 렌즈(205) 및 이미지 센서(206)는 모두 통합될 수 있다. 일 실시예에서, 이미지 센서(206)는 스펙트럼 데이터만을 판독하는 데 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 이미지 센서(206)는 이미지 및 스펙트럼 데이터 모두를 판독하는 데 사용될 수 있다. 이미지 센서(206)는 내부 영역(208) 및 외부 영역(209)을 가질 수 있다. 이미지 센서(206)는 외부 영역(209)을 통해 제2 파장 범위의 스펙트럼 데이터를, 내부 영역(208)을 통해 제1 파장 범위의 이미지 데이터를 동시에 판독할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다. 이미지와 스펙트럼 데이터를 모두 판독하는 것은 센서(200)가 “실제” 물체를 “거짓” 물체와 구별하는 것을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 분석 대상이 물리적 물체이고, 물체의 사진이 센서(200)에 제시되면, 물체의 사진은 원본 물체와 동일한 이미지로 보일 수 있지만 촬영된 물체의 스펙트럼 데이터는 달라질 수 있다. “실제” 이미지와 “거짓” 이미지 간의 이러한 차이점을 감지하기 위해 스펙트럼 데이터를 사용할 수 있다.
이미지 센서(206)는 CMOS 센서 또는 이전에 설명된 임의의 센서일 수 있으며, 또는 결합된 이미징 및 분광법 센서(200)를 위해 설계된 파장을 검출할 수 있는 임의의 다른 센서일 수 있다. 이미지 센서(206)는 이미지 및/또는 스펙트럼 데이터를 처리할 수 있는 이미지 프로세서(207)에 연결될 수 있다. 이미지 프로세서(207)는 시각 및/또는 스펙트럼 데이터를 재구성할 수 있다.
센서(200)는 스마트폰 카메라에 사용하기에 충분히 작을 수 있고, 이미징 및 분광법의 하이브리드 기능을 제공할 수 있다. 센서(200)의 크기는 0.1 내지 3 입방 밀리미터 이하일 수 있으며, 이는 소형 폼 팩터(form factor) 장치 내에 적합하도록 허용한다. 분산 어레이(204)는 약 0.01 입방 밀리미터의 부피를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 스마트폰 카메라가 센서(200)를 사용할 수 있도록 하기 위해, 분산 어레이(204)가 카메라 렌즈 층들의 상부 또는 층들 사이에 배치될 수 있다. 스마트폰 카메라는 렌즈(205), 개구(202), 이미지 센서(206) 및 이미지 프로세서(207)를 포함할 수 있다. 분산 어레이(204)는 디자인에 따라 스마트폰 렌즈 또는 개구의 전후에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 센서(200)는 스마트폰 카메라에 통합될 수 있다.
도 3은 분산 어레이(204)를 도시한다. 분산 어레이(204)는 분산 구조들(300a-300n)의 어레이를 포함할 수 있다. 제1 분산 구조(300a)는 제1 파장 범위의 빛을 감소된 분산 또는 전혀 분산시키지 않고, 감소된 산란 또는 전혀 산란시키지 않으며 통과시키고, 제2 파장 범위의 빛을 산란 및 분산되도록 할 수 있다. 일 실시예에서, 분산 구조들(300a-300n)는 각각 대략 500 μm X 500 μm 정사각형일 수 있지만, 다른 크기 및 모양일 수도 있다. 분산 구조들(300a-300n)은 서로 다른 각각의 파장 범위들의 빛을 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 분산 구조(300a)는 800 nm 내지 820 nm 파장 범위의 빛을 분산시키는 반면, 제2 분산 구조(300b)는 820 nm 내지 840 nm 파장 범위의 빛을 분산시키고, 나머지 분산 구조들(300a-300n)에 대해서도 마찬가지이다.
각각의 분산 구조(300a-300n)는 전체의 분산 어레이(204)가 분산하는 파장 범위 또는 대역폭의 상이한 서브세트에 대한 빛을 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 분산 어레이(204)에 대한 분산 파장 범위는 800 nm 내지 1000 nm 일 수 있고, 8개의 분산 구조들(300a-300n, n=8)이 있는 경우 각각의 분산 구조(300a-300n)는 800 nm 내지 1000 nm의 범위 내에서 약 25 nm의 대역폭을 분산시킬 수 있다. 대안적 실시예에서, 리던던시(redundancy)을 제공하기 위해 파장 범위의 주어진 서브세트에 대해 다중 분산 구조들(300a-300n)이 있을 수 있다. 예를 들어, 분산 어레이(204)는 16개의 분산 구조들(300a-300n)을 포함할 수 있고, 파장 범위는 800-1000 nm이며, 분산 어레이(204)는 각각의 분산 구조(300a-300n)가 800-1000 nm의 범위에서 약 25 nm에 상당하는 대역폭을 분산시키도록 설계될 수 있으나, 분산 대역폭을 공유하는 두 개의 분산 구조들(300a-300n)이 있을 수 있다.
분산 구조들(300a-300n)은 단일 축을 따라 빛을 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 입사광(201)은 분산 구조들(300a-300n)에서 발견되는 나노구조 열들(403a-403n)에 수직인 축 상에서 분산될 수 있으며, 이는 아래에서 추가로 소개되고 논의될 것이다. 분산 구조들(300a-300n)은 서로에 대해 상이한 각도로 광 산란 및 광 분산을 제공하도록 위치할 수 있다. 다시 말하면, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 축을 따라 분산되고, 하나의 분산 구조(300a-300n)에서 다른 분산 구조(300a-300n)로의 분산 축은 각도로 오프셋(offset)된다. 이 원리는 도 3에 도시되어 있으며, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 다른 분산 구조(300a-300n)에 대해 비스듬히 형성된 나노구조 열들(403a-403n)을 갖는다. 예를 들어, 제1 분산 구조(300a)는 제1 분산 구조(300a)가 빛을 분산하는 축일 수 있는, 상응하는 제1 분산 구조 각도(301a)를 가질 수 있다. 제n 분산 구조(300n)는 상응하는 제n 분산 구조 각도(301n) 등을 가질 수 있다. 따라서, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 상응하는 분산 구조 각도(301a-301n)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 분산 구조들(300a-300n) 사이에서 빛이 분산되는 각도는 하나의 분산 구조(300a-300n)에서 다른 분산 구조(300a-300n)로의 분산 구조 각도들(301a-301n)의 가장 큰 차이를 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, n개의 분산 구조들(300a-300n)에서, 개별 분산 구조들(300a-300n) 사이의 분산 축 각도의 차이는 n/180° 일 수 있다. 예를 들어, 분산 구조들(300a-300n)에 대해 n이 8인 경우, 분산 구조들(300a-300n) 각각은 0°에서 180° 까지 각각 약 22.5° 회전하여 서로로부터 가장 큰 각도 차이를 제공할 수 있다. 대안적 실시예들에서, 둘 이상의 분산 구조들(300a-300n)은 리던던시를 위해 분산 구조 각도들(301a-301n)을 공유할 수 있다. 대안적 실시예들에서, 분산 구조들(300a-300n)은 2개의 축을 따라 또는 원뿔형으로 빛을 분산시킬 수 있다.
도 4는 일부 실시예들에 따른, 도 3의 예시적인 분산 어레이(204)의 단면도를 도시한다. 도 4에는, 세 개의 분산 구조들이 예시적인 목적으로 표시된다:300a, 300b, 및 300n. 논의된 원리는 제1 분산 구조(300a)에 대한 것일 수 있고, 분산 어레이(204) 및 도 3의 분산 구조들(300a-300n)에 사용될 수 있다. 입사광(201)은 각도 범위(401)로 제1 분산 구조(300a)에 들어갈 수 있다. 일부 실시예들에서, 각도 범위(401)는 0° 내지 +/- 30° 일 수 있지만, 다른 범위일 수도 있다. 제1 분산 구조(300a)의 구조 및 입사광(201)과 제1 분산 구조(300a) 간의 상호 작용은 아래에서 더 설명된다.
제1 분산 구조(300a)는 입사광(201)을 산란광(408)으로 산란시킬 수 있는 나노구조층(402) 및 빛을 분산광(410)으로 분산시킬 수 있는 필터층(404)을 포함하는 다층 시스템을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 분산 구조 각도들(301a-301n)에서 유사한 방식으로 입사광(201)을 산란 및 분산시킬 수 있다. 나노구조층(402)은 입사광(201)을 산란시키는 데 사용될 수 있는 산란층으로 알려져 있을 수 있다. 필터층(404)은 빛을 분산시키는 데 사용될 수 있는 분산층으로 알려져 있을 수 있다. 분산광(410)은 상이한 각도들에서 상이한 파장들의 빛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 파장은 0°에서 분산될 수 있고, 타겟 파장(409)으로 알려질 수 있는 반면, 제2 파장은 10°에서 분산될 수 있다. 파장 범위를 포함할 수 있고, 필터층(404)의 광학 특성에 기초할 수 있는 분산광(410)이 있을 수 있다. 근접장 응답(near-field response)(411)은 제1 분산 구조(300a) 내에서 그리고 빛이 제1 분산 구조(300a)를 떠난 후 분산광(410)의 처음 몇 개의 파장들에 대한 입사광(201)의 산란 및 분산에 대한 응답일 수 있다. 원거리장 응답(far-field response)(415)은 근접장 응답(411) 이후 입사광(201)의 산란 및 분산 응답일 수 있다. 둘 다 이하에서 보다 상세히 논의된다.
분산광(410)은 상이한 각도에 대한 다양한 파장들의 빛을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 분산광(410)이 제1 분산 구조(300a)를 떠나는 분산 각도는 아래에 예시되는 바와 같이 그 파장에 의존한다. 나노구조층(402)은 빛을 산란시킬 수 있는 나노구조(나중에 예시됨)의 나노구조 열들(403a-403n)(Z-축으로 연장되고 403a, 403n-1, 및 403n으로 표시됨)을 포함할 수 있다. 입사광(201)은 나노구조층(402)에 들어갈 수 있고, 나노구조 열들(403a-403n)과 상호 작용할 수 있다. 입사광(201)의 일부는 나노 구조 열들(403a-403n) 주변에서 산란되어 파면을 생성할 수 있다. 이 파면은 전기장의 산란일 수 있고 라이트 필드(light field) 전파를 정의할 수 있다. 이는 전압-미터 단위를 가질 있고, 힘으로 간주될 수 있다. 파면은 Huygens-Fresnel 원리를 따를 수 있으며, 파면의 모든 지점은 구형의 2차 웨이블릿(wavelet)들의 소스로 작용할 수 있다. 2차 웨이블릿들의 합은 원거리장 응답(415)을 생성할 수 있는 후속 파들의 형태를 결정할 수 있다. 파면들은 다양한 위상들 및 진폭들의 파들을 가질 수 있고, 원거리장 응답(415)을 생성하기 위해 함께 추가될 수 있다. 입사광(201)이 나노구조층(402)과 상호 작용하고 산란된 후, 결과적인 빛은 다음에 설명되는 필터층(404)과 상호 작용할 수 있다.
필터층(404)은 제1 층(405) 및 제2 층(406)의 교번 물질들을 포함할 수 있으며, 이는 도 5를 참조하여 추후 논의될 것이다. 결함층(407)은 파장 범위의 빛이 분산되도록 할 수 있다. 각각의 분산 구조(300a-300n)에 대해, 결함층(407)은 하나의 분산 구조(300a-300n)에서 다른 분산 구조(300a-300n)까지, 분산 어레이(204)에 걸쳐 두께가 달라질 수 있다 (예를 들어, 도 4 참조, 결함층(407)은 각각의 분산 구조들(300a, b, 및 n) 사이에서 상이한 두께를 가지는). 각각의 분산 구조(300a-300n)에 대한 결함층(407)의 다양한 두께들은 상이한 파장 범위들이 필터링되고 상이한 각도들로 분산되도록 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 결함층(407)은 각각의 분산 구조(300a-300n)에 대해 상이한 두께를 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 결함층(407)은 리던던시를 제공하기 위해 2개 이상의 분산 구조들(300a-300n)에 대해 동일한 두께를 가질 수 있다.
산란광(408)은 제1 및 제2 파장 세트들을 포함할 수 있다. 제1 파장 세트의 산란광(408)은 제1 각도 범위(412)에 걸쳐 분산이 거의 또는 전혀 없이 필터층(404)을 통과할 수 있고, 정반사광(specular light)으로 알려질 수 있다. 제2 파장 세트의 빛은 분산광(410)으로서 제2 각도 범위(413)에 걸쳐 산란 및 분산될 수 있다. 제2 각도 범위(413)는 이미지 센서(206)에 도달할 수 있거나, 제2 각도 범위(413)의 서브세트가 이미지 센서(206)에 도달할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 각도 범위(413)는 스펙트럼 데이터를 판독하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 0°에서 이미지 센서(206)의 끝까지, 제2 각도 범위(413) 내에서 산란 및 분산되어 이미지 센서(206)에 도달하는 파장은 스펙트럼적으로 판독될 수 있다.
다른 실시예에서, 후술하는 바와 같이, 스펙트럼 판독 각도 범위(414)는 제2 각도 범위(413)와 제1 각도 범위(412) 사이의 비중첩(non-overlapping) 차이일 수 있다. 스펙트럼 판독 각도 범위(414)는 이미지 센서(206)에 도달할 수 있거나, 이미지 센서(206)를 넘어갈 수 있다. 스펙트럼 판독 각도 범위(414)는 분산광(410)이 이미지 센서(206)에 의해 스펙트럼적으로 판독될 수 있는 각도 범위일 수 있고, 비정반사광(non-specular light)으로 알려질 수 있다.
특정한 일 실시예에서, 입사광(201)은 0° 내지 +/- 30° 사이에서 나노구조층(402)에 들어갈 수 있다. 출력 분산은 입사광(201)의 입력 각도 0° 내지 +/- 30° 범위에 걸쳐 가시 스펙트럼의 경우 0° 내지 +/- 15°, NIR 스펙트럼의 경우 0° 내지 +/- 30° 일 수 있다; 그러나, 다른 실시예들에서, 다른 각도들 및 파장들 (라디오(radio) 파장에서 감마 파장까지) 이 가능하다. 스펙트럼 전용 판독 구성에서, 이미지 센서(206)는 0° 내지 +/- 30° 의 스펙트럼 데이터를 판독하는 데 사용될 수 있다. 이미징 및 스펙트럼 판독 구성에서, 이미지 센서(206)는 이미지 데이터를 판독하기 위해 0° 내지 +/- 15°를 사용하고 스펙트럼 데이터를 판독하기 위해 15° 내지 +/- 30°를 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 나노구조층(402)은 제1 분산 구조(300a)가 +/- 30°의 각도 공차를 제공하도록 허용할 수 있으며, 이는 0° 내지 +/- 30° 사이에서 입사하는 입사광(201)이 동일한 출력 산란 및 분산 각도를 제공할 것을 의미한다. 출력 분산 각도 및 각도 공차는 나노구조층(402)의 구조 때문일 수 있다. 입사광(201)과 각 층의 상호 작용에 대한 보다 자세한 설명은 아래에 제공된다. 또한, 물질과 구조에 대해서도 자세히 설명될 것이다.
나노구조층(402)은 광학 메타표면으로 지칭될 수 있다. 메타표면은 공간적으로 배열된 나노안테나의 위상 천이 어레이(phase-shifting array)들 또는 빛을 산란시키는 나노 홀들 어레이의 하나 이상의 평면 표면들을 포함할 수 있고, 이는 산란체(scatterer)들로 지칭될 수 있다.
일부 실시예들에서, 나노구조층(402)은 유전체 기반 메타표면 물질들을 포함할 수 있다. 나노구조층(402)은 높은 굴절률을 갖는 유전체 또는 반도체를 포함할 수 있다. 높은 굴절률은 빛을 더 효율적으로 산란시킬 수 있다. 또한, 광흡수가 낮은 물질은 더 많은 빛을 투과시킬 수 있다. 사용된 물질의 예는 이산화 티타늄(titanium dioxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘(silicon), 게르마늄(germanium), 하프늄 산화물(hafnium oxide), 알루미늄 산화물(aluminum oxide) 또는 텔루륨(tellurium)을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이러한 유전체 물질은 빛을 공명적으로 포착하고 다른 위상, 편광, 양식(modality) 및 스펙트럼으로 빛을 재방출할 수 있다.
나노구조층(402)은 그 계면(interface)에서의 위상 변화를 통해 빛을 구부릴 수 있으며, 스넬의 법칙(Snell's law)의 일반화된 버전으로 설명될 수 있다. 빛이 2개의 매질, 즉 공기 및 나노구조층(402) 사이를 각각 통과할 때, 계면에서 굴절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 나노구조층(402)의 메타표면 구조를 변화시킴으로써, 빛의 위상 변화는 0 에서 2-pi까지 달라질 수 있다. 위상 변화의 값은 메타표면 특징의 치수와 방향에 의해 제어될 수 있다. 자기 공명 및 전기 공진이 중첩될 때, 위상 변화는 전체 2-pi 범위를 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는, 일부 실시예들에서, 제1 분산 구조(300a)는 나노구조층(402)을 통해 입사되는 입사광(201)을 가질 수 있다. 입사광(201)은 파장에 따른 산란을 제공하도록 Mie 산란(Mie scattering)을 통해 나노구조층(402)에 의해 조작될 수 있다. 결과적인 산란광(408)은 변경된 위상 및 진폭을 가질 수 있다. 다음으로, 필터층(404)에 대한 보다 상세한 설명이 제공된다.
필터층(404)은 반사기(reflector)일 수 있다. 필터층(404)은 나노구조층(402)의 일 측에 위치할 수 있다. 필터층(404)은 더 좁은 파장 범위를 따라 다른 파장들이 통과하도록 선택적으로 허용하면서 일부 파장들을 반사할 수 있다. 필터층(404)은 분산광(410)으로서 산란광(408)의 타겟 파장 범위를 분산시킬 수 있다. 분산광(410)은 (파장에 따라) 상이한 각도들로 분산된 파장들을 포함할 수 있고, 타겟 파장(409)을 포함할 수 있다. 타겟 파장(409)은 특정 필터층(404)에 의해 0°에서 분산되는 파장일 수 있다. 타겟 파장의 범위는 타겟 파장(409)에 기초할 수 있고, 필터층(404)에 의해 분산되는 산란광(408)의 파장 범위를 포함할 수 있다. 타겟 파장 범위의 분산에 따른 출력 각도 범위는 제2 각도 범위(413)일 수 있다.
필터층(404)은 분산광(410)을 형성하도록 파장 의존적 방식으로, 산란광(408)의 파장들을 비스듬히 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 분산 구조(300a)의 예시적 실시예에서, 타겟 파장(409)은 835 nm 일 수 있고, 분산광(410)의 타겟 파장 범위는 800-835 nm일 수 있다. 835 nm의 타겟 파장(409)은 0°에서 분산될 수 있다. 820 nm의 파장은 +/- 15°에서 분산될 수 있고, 800 nm의 파장은 +/- 30°에서 분산될 수 있다. 필터층(404)은 결함층(407)을 포함할 수 있으며, 이는 분산광(410)의 타겟 파장 범위를 결정할 수 있고 그것의 특정 파장은 특정하게 고정된 각도에서 분산될 수 있다. 결함층(407)의 두께는 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 분산 어레이(204)가 넓은 범위의 파장을 분산시킬 수 있도록 각각의 분산 구조(300a-300n)에 대해 달라질 수 있다.
필터층(404)은 분포 브래그 반사기(distributed Bragg reflector; DBR), 유전체 거울, 섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating), 반도체 브래그 거울(semiconductor Bragg mirror), 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 필터층(404)은 다양한 굴절률을 갖는 교번하는 물질들의 다중 층으로 형성된 반사기 유형일 수 있다. 일 실시예에서, 필터층(404)은 다중 층을 갖는 DBR 필터일 수 있다.
일 실시예에서, 필터층(404)은 제1 층(405) 및 제2 층(406)의 하나 이상의 교번 층을 포함할 수 있으나, 더 많은 유형의 층들이 있을 수 있고 아래에서 동일한 원리가 적용될 수 있다. 제1 및 제2 층들(405, 406)은 서로 위에 여러 번 번갈아가며 일정한 두께를 유지하거나 두께가 달라질 수 있다. 결함층(407)은 일정한 층일 수 있거나, 제1 층(405) 또는 제2 층(406)의 물질을 포함하는 가변 두께 층일 수 있다 (이 예에서, 결함층(407)은 제1 층(405)의 물질을 갖는 것으로 도시됨). 일부 실시예들에서, 결함층(407)은 대체 물질로 구성될 수 있다.
제1 및 제2 층들(405, 406)은 광파(optical wave)의 부분 반사를 유발할 수 있는 경계를 가질 수 있고, 입사광(201)에 간섭을 제공하여 특정 파장은 차단할 수 있다. 제1 및 제2 층들(405, 406)은 특정 파장이 통과하고 위상을 변화시키는 것을 허용할 수 있는 상이한 굴절률을 가질 수 있으며, 이는 파장 의존 각도 분산으로 이어질 수 있다. 물질의 굴절률은 물질에 들어오는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있다; 따라서, 제공된 굴절률 값은 파장 범위에 대한 평균 값일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 층(405)은 TiO2 일 수 있다. TiO2의 굴절률은 약 2.45이며, 높은 굴절률로 간주될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 층(406)은 SiO2일 수 있다. SiO2의 굴절률은 약 1.45이며 낮은 굴절률로 간주될 수 있다. 두 굴절률 값들은 더 높거나 더 낮을 수 있다. 두 값들 모두 통과하는 빛의 특정 파장에 의존적일 수 있고, 관심 파장 범위에 걸쳐 평균화된 굴절률을 고려하는 것이 도움이 될 수 있다. 전술한 동일한 원리가 결함층(407) 및 다른 물질의 층들을 포함하는 추가적인 층들에 적용될 수 있다.
제1 및 제2 층들(405, 406)은 상이한 두께들을 가질 수 있으며, 이는 또한 어떤 파장이 물질을 통과할 수 있는 지 결정할 수 있다. 제1 및 제2 층들(405, 406)의 반사율은 모두 각 층의 경계에서 반사된 빛의 상쇄 간섭 영역의 구성에 의존할 수 있다.
물질의 각 층에 대해, 빛은 제1 굴절률 n의 물질 내에서, 위상 지연을 가질 수 있다. 빛은 c　=　λf의 규칙을 따를 수 있다. 여기서, c는 빛의 속도, λ는 파장, f는 주파수이다. 빛이 제1 굴절률 n의 물질을 통과할 때, 빛의 속도는 1/n을 곱한 만큼 달라질 수 있다. 주파수 f는 고정되기 때문에, 파장 λ도 유효 파장으로 알려진 1/n 을 곱한 만큼 달라질 수 있다. 빛의 유효 파장은 물질 내에서 변화할 수 있다. 더욱이, 물질의 두께 d는 다른 파장들이 반사될 수 있는 동안 제1 파장의 빛이 통과하는 것을 허용할 수 있다. 다른 파장들은 외부 표면과 내부 표면에서 반사될 수 있다. 물질의 내부 표면에서 반사된 빛은 외부 표면에서 반사된 빛과 상호 작용하여 간섭을 생성할 수 있는 위상 지연을 가질 수 있고, 상기 간섭은 보강 간섭이거나 상쇄 간섭일 수 있다. 따라서, 물질의 두께와 함께 굴절률은 선택 파장이 물질을 통과하도록 허용할 수 있다. 제1 층(405)을 제2 층(406) 상에 적층할 때, 두 층들의 반사는 본 명세서에 설명된 원리를 이용하여 좁은 파장 범위를 통과하도록 허용하면서 많은 파장들을 필터링할 수 있다. 제1 층(405) 및 제2 층(406)은 함께 스택으로 지칭될 수 있다. 층들은 아래에서 보다 상세하게 설명된다. 아래의 원리들은 결함층(407) 또는 그 이상의 층들과 같은 스택의 추가적인 층들에 대해서도 적용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 및 제2 층들(405, 406)은 각각 하나의 개별 물질일 수 있고, 각각 유전체 물질일 수 있다. 제1 층(405)은 높은 굴절률을 가질 수 있는 반면, 제2 층(406)은 낮은 굴절률을 가지거나, 둘 모두 높은 굴절률을 가질 수 있다. 제1 층(405) 및 제2 층(406)은 서로의 상부에 반복적으로 적층될 수 있고, 이는 교번하는 층들의 계면들에서 프레스넬 반사(Fresnel reflection)를 생성할 수 있다. 제1 층(405)은 굴절률 n1을 가질 수 있고, 제2 층(406)은 굴절률 n2를 가질 수 있다. 함께, 프레스넬 반사는 [(n1-n2)/(n1+n2)]2 일 수 있다.
물질의 유효 두께는 굴절률에 물질의 두께를 곱한 것일 수 있고, 이는 물질의 분산 특성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이 개념은 제1 층(405) 및 제2 층(406)에 적용될 수 있다. 제1 층(405) 및 제2 층(406)을 스택으로 결합할 때, 유효 두께는 타겟 파장 범위를 분산(disperse)하기 위해 필터층(404)을 조정하는 데 사용될 수 있다. 서로의 위에 후속 스택들을 추가하는 것은 분산 효율을 향상시킬 수 있으나 각 스택의 유효 두께가 동일할 수 있으므로 타겟 파장 범위를 변경하지 않을 수 있다. 결함층(407)을 추가함으로써, 결함층(407)이 스택에 추가될 때 유효 두께가 변함에 따라 타겟 파장 범위가 조정될 수 있다. 나중에 논의되는 바와 같이, 분산 어레이(204)는 각각의 분산 구조(300a-300n)에 대해 동일한 스택들을 가질 수 있지만, 각각의 분산 구조(300a-300n)에 대해 상이한 타겟 파장 범위들을 허용할 수 있는 다양한 두께를 갖는 결함층(407)을 가질 수 있다.
스택을 형성하기 위해 함께 결합될 때, 제1 층(405) 및 제2 층(406)의 유효 두께는 타겟 파장(409)의 약 1/2 또는 1/4과 거의 동일한 굴절률을 곱한 두께를 가질 수 있고, 여기서 타겟 파장(409)은 0°에서 분산될 수 있다. 예를 들어, 제1 층(405) 및 제2 층(406) 각각의 두께 d1 및 d2에 대해, 유효 두께는 n1*d1 + n2*d2 일 수 있고 타겟 파장(409)의 약 1/2 또는 1/4과 동일하게 조정될 수 있다. 분산 효율을 증가시키기 위해, 동일한 두께의 추가 스택을 추가할 수 있지만, 동일한 타겟 파장(409)은 0°에서 분산될 수 있다. 다른 경우에, 굴절률이 n1이고 두께가 d3인 결함층(407)이 포함된 경우, 공식은 n1*d1 + n2*d2 + n1*d3일 수 있고, 이는 대략 타겟 파장(409)의 약 1/2 또는 1/4과 동일할 수 있다. 스택 및 결함층(407)은 타겟 파장 범위를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 필터층(404)의 타겟 파장 범위는 각각의 분산 구조(300a-300n)에서 분산이 발생할 수 있는 파장 범위일 수 있고, 특정 분산 구조에 대한 타겟 파장(409)에 기초한다.
대안적 실시예에서, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 상기 원리들을 사용하여 파장 범위를 목표로 하기 위해 제1 및 제2 층들(405, 406)의 스택의 상이한 물질 및/또는 두께를 사용할 수 있다. 스택은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있고, 각 층은 상이한 물질 및 두께를 가질 수 있다. 다중 스택을 갖는 실시예에서, 각각의 스택은 또한 상이한 물질 및 두께를 포함할 수 있거나, 동일한 물질 및 두께를 포함할 수 있다.
타겟 파장(409) 유효 두께의 1/2은 보강 간섭을 일으킬 수 있고, 고반사성 물질로 기능할 수 있다. 타겟 파장(409) 유효 두께의 1/4은 상쇄 간섭을 일으킬 수 있고, 저반사성 물질로 기능할 수 있다. 복수 개의 서로 교번적인 제1 및 제2 층들(405, 406)을 적층함으로써, 보다 효과적인 위상 천이(phase shift)가 발생할 수 있고 이는 보다 효율적인 필터를 허용할 수 있다. 일 예에서, 제1 층(405) 및 제2 층(406)의 4개의 층들을 적층함으로써, 파장 분산의 해상도는 2 nm 내지 5 nm일 수 있다. 스택들이 더 추가되면 해상도가 감소할 수 있다 (5 nm 내지 10 nm와 같은 더 높은 값). 더 적은 수의 스택들이 추가되면, 해상도가 증가할 수 있다 (1 nm 내지 2nm와 같은 더 낮은 값).
일 실시예에서, 제1 층(405) 및 제2 층(406)을 적층함으로써, 입사광(201)의 광파(light wave)의 주기는 pi만큼 천이될 수 있으며, 이는 상쇄 간섭을 유발할 수 있고 이로써 필터를 통과하는 다른 파장을 허용하는 반면, 선택 파장을 차단 또는 필터링할 수 있다. 필터층(404)의 각 층은 경계를 가질 수 있고, 이는 광파(light wave)의 부분 반사를 유발할 수 있다. 스택을 형성하기 위해 여러 층들이 함께 추가될 때, 많은 반사들은 보강(반파장) 또는 상쇄(1/4 파장) 간섭과 결합될 수 있고 필터층(404)을 통과하는 선택 파장을 반사하거나 차단할 수 있다.
결함층(407)이 존재하지 않는 상쇄 간섭의 간단한 예에 대해, 타겟 파장(409)이 800 nm이면 제1 및 제2 층들(405, 406)은 2개의 1/4 파장 필터들의 결합된 유효 두께를 가질 수 있고, 이는 파장을 각각 200 nm 씩 또는 총 400 nm 천이시킬 수 있다. 800 nm 파장을 200 nm 씩 두 번 천이(즉, 총 400 nm 천이)시킴으로써, 상쇄 간섭이 발생할 수 있고 타겟 파장(409)이 차단될 수 있다. 그러나 보강 간섭에서는, 타겟 파장(409)이 통과하도록 허용될 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 층(405) 및 제2 층(406)을 포함하는 스택의 유효 두께는 타겟 파장(409) 두께의 1/2 또는 1/4 미만일 수 있지만, 다중 스택들이 함께 추가될 때 타겟 파장(409) 두께의 1/2 또는 1/4에 합산될 수 있다. 다른 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 굴절률, 두께, 추가 층들 등을 포함하는 추가적인 변수들이 제1 및 제2 층들(405, 406)의 유효 두께를 결정하는 데 사용될 수 있다.
아래에서 논의되는 바와 같이, 또한 결함층(407)은 필터링될 수 있는 타겟 파장(409)을 변경할 수 있다. 결함층(407)의 유효 두께를 변경함으로써 분산 구조(300a-300n)을 조정할 수 있고, 이에 따라 산란광(408)의 다양한 타겟 파장(409)을 약 0°에서 분산광(410)의 일부로써 분산하는 것을 허용할 수 있다.
결함층(407)은 타겟 파장 범위가 분산되도록 조절할 수 있다. 결함층(407)은 분산 구조(300a-300n)마다 상이한 두께를 갖는 단차들(step)을 포함할 수 있고, 이는 도 4의 X-축을 따라 다양한 두께로 보여진다. 제1 단차 두께는 제1 타겟 파장 범위가 제1 분산 구조(300a) 상에 분산되도록 할 수 있고, 제n 단차 두께는 제n 타겟 파장 범위가 제n 분산 구조(300n) 상에 분산되도록 할 수 있다. 예를 들어, 분산 구조(300a-300n) 상의 결함층(407)의 각 두께 단차에 대해, 타겟 파장 범위는 서로 20 nm 내지 40 nm일 수 있지만, 다른 파장 범위가 가능할 수 있고 결함층(407)의 물질(예를 들어, 굴절률) 및 단차 크기 선택에 의존할 수 있다.
분산 어레이(204) 상의 분산 구조들(300a-300n)의 전체 범위에 걸쳐, 결함층(407), 제1 층(405) 및 제2 층(406)의 두께들은 분산될 수 있는 파장의 전체 범위를 선택할 수 있다. 예를 들어, 타겟 파장 범위는 제1 분산 구조(300a)에 대해서는 700 nm 내지 725 nm, 제2 분산 구조(300b)에 대해서는 725 nm 내지 750 nm, 마찬가지로 제n 분산 구조(300n)에 대해서는 875 nm 내지 900 nm일 수 있다. 분산 어레이(204)에서 분산될 수 있는 파장의 전체 범위는 700 nm 내지 900 nm일 수 있다. 각각의 분산 구조(300a-300n)는 각각의 타겟 파장 범위보다 더 많은 파장들을 분산시킬 수 있지만, 이러한 파장들은 파들이 이미지 센서(206)에 도달하지 않을 수 있는 곳보다 더 넓은 분산 각도에 있을 수 있다. 따라서, 결함층(407)은 이미지 센서(206) 상에 이미지 센서(206)의 물리적 크기 및 배치에 의해 정의된, 특정 각도 범위 (제2 각도 범위(413) 또는 스펙트럼 판독 각도 범위(414)일 수 있는) 내에서 분산된 스펙트럼 (타겟 파장 범위)의 특정 부분을 배치하도록 설계될 수 있다.
보다 상세하게는, 도 3을 참조하면, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 분산 어레이(204) 전체에 걸쳐 넓은 범위의 파장의 분산을 허용하도록 다른 분산 구조들(300a-300n)과 두께가 다른 결함층(407)을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 전술한 바와 같은 결함층(407)의 단차의 두께가 x이고, 타겟 파장(409)에 필요한 층의 베이스 높이가 n (전술한 바와 같은) 이면, 제1 분산 구조(300a)는 약 n+x의 두께를 가질 수 있고, 제2 분산 구조(300b)는 n+2x의 높이를 가질 수 있고, 제3 분산 구조(300c)는 n+3x의 두께를 가질 수 있으며 이하 마찬가지이다.
보다 구체적으로, 일부 실시예들에서, 결함층(407)은 다양한 두께 (분산 구조(300a-300n) 당 하나의 두께) 를 가질 수 있어 빛의 다양한 타겟 파장 범위들이 통과할 수 있다. 각각의 분산 구조(300a-300n)에 대해 타겟 파장(409)이 있을 수 있고, 이는 빛이 0°에서 분산되는 파장으로 정의될 수 있다. 각각의 분산 구조(300a-300n)에 대한 타겟 파장(409)은 상이할 수 있거나 둘 이상의 분산 구조들(300a-300n)에 의해 공유되어 리던던시(redundancy)를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 분산 구조들(300a-300n)은 각각의 파장 범위 (예를 들어, 700-725 nm)의 가장자리에서 파장 분산을 “중단”하지 않을 수 있다. 오히려, 이미지 센서(206)의 물리적 경계를 넘어서 (예를 들어, 일부 실시예들에서 +/- 30°를 넘어서) 분산된 파장은 감지되지 않으며, 이 논의를 위한 “파장 범위”의 일부로 간주되지 않는다. 즉, 각각의 분산 구조(300a-300n)의 분산 파장 범위는 타겟 파장(409)에 대해 0°에서 시작하여 이미지 센서(206)의 외부 한계에 의해 정의된 각도까지 연장될 수 있다.
예를 들어, 도 3의 분산 어레이(204)에 대해 n=8인 분산 구조들(300a-300n)이 있을 수 있다. 또한, 예를 들어, 분산 어레이(204)는 700 nm 내지 900 nm의 파장을 분산시킬 수 있다. 이 예에 따르면, 분산 구조들(300a-300n)의 분산 구조는 각각 약 25 nm의 타겟 파장 범위를 분산시킬 수 있다. 제1 분산 구조(300a)는 700 nm 내지 725 nm(제1 타겟 파장 범위일 수 있음)를 분산시킬 수 있다. 약 0°에서 분산되는 타겟 파장(409)은 725 nm일 수 있다. 700 nm 파장은 +/- 30° 에서 분산될 수 있고, 그 사이의 파장은 더 낮은 각도에서 분산될 수 있다. 결함층(407)은 제1 분산 구조(300a)에서 제1 두께일 수 있다. 제2 분산 구조(300b)는 725 nm 내지 750 nm (제2 타겟 파장 범위일 수 있음)를 분산시킬 수 있다. 약 0° 에서 분산되는 타겟 파장(409)은 750 nm일 수 있다. 결함층(407)은 (제1 분산 구조(300a)에 비해) 제2 분산 구조(300b)에 추가된 두께를 가져, 0°에서 상이한 타겟 파장(409)을 분산하고, (제1 분산 구조(300a)에 비해) 제2 타겟 파장 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 결함층(407)의 굴절률이 1.25일 때, 추가된 두께는 20 nm일 수 있고, 이는 분산될 타겟 파장(409) 및 파장 범위에서 1.25*20=25 nm 천이를 허용한다. 물론, 원하는 타겟 파장(409) 천이 또는 물질 굴절률이 다른 경우, 다른 결함층(407) 두께가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 분산 구조(300a-300n)로부터, 결함층(407)은 전술한 방식으로 점진적으로 추가된 두께를 가져, 전체 타겟 파장 범위의 분산을 허용할 수 있다.
일부 실시예들에서, 이미지 센서(206)는 제1 각도 범위(412)로부터 이미징 데이터를 판독하고 스펙트럼 판독 각도 범위(414)의 분산광(410)으로부터 스펙트럼 데이터를 판독할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 스펙트럼 판독 각도 범위(414)는 +/- 15° 내지 +/- 30°일 수 있고, 이미징 데이터가 판독되는 제1 각도 범위(412)는 0° 내지 +/-15° 일 수 있다. 분산광(410)의 일부 각도가 분광학적 데이터에 사용되지 않을 수 있다는 사실을 보상하기 위해, 분산 구조들(300a-300n) 사이의 타겟 파장들(409)의 중첩이 본 명세서에 개시된 원리에 따라 공학적으로 사용될 수 있다.
예를 들어, 제1 분산 구조(300a)는 700 nm 내지 735 nm를 분산시키는 제1 타겟 파장 범위를 가질 수 있다. 약 0°에서 분산되는 타겟 파장(409)은 735 nm일 수 있다. 700 nm 파장은 +/- 30°에서 분산될 수 있고, 725 nm 파장은 +/- 15°에서 분산될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 분산 구조(300a)는 ~700-725 nm 범위의 스펙트럼 판독을 제공할 수 있으며, ~725-735 nm 파장은 이미지 센서(206) 상의 스펙트럼 판독 각도 범위(414)를 벗어날 수 있다 (아직, 제1 각도 범위(이미징 데이터 각도, 412) 내에 있는).
제2 분산 구조(300b)는 더 두꺼운 결함층(407)을 가질 수 있다. 제2 분산 구조(300b)는 725 nm 내지 760 nm에서 빛을 분산시키는 제2 타겟 파장 범위를 가질 수 있다. 약 0°에서 분산되는 타겟 파장(409)은 760 nm일 수 있다. 725 nm 파장은 +/- 30° 에서 분산될 수 있고, 750 nm 파장은 +/- 15° 에서 분산될 수 있다. 따라서, 제2 분산 구조(300b)는 725-750 nm 범위의 스펙트럼 판독을 제공할 수 있으며, ~750-760 nm 파장은 이미지 센서(206) 상의 스펙트럼 판독 각도 범위(414)를 벗어날 수 있다. 따라서, 제2 분산 구조(300b)의 타겟 파장 범위는 제1 분산 구조(300a)의 타겟 파장 범위의 일부가 측정되지 않는다는 사실을 보상할 수 있다. 이 중첩 원리는 분산 구조들(300a-300n)에 걸쳐 반복되어 700 nm 내지 900 nm의 파장을 연속적으로 커버할 수 있다.
개별 분산 구조(300a-300n)에 대해 추구될 수 있는 타겟 파장 범위 (및 관련 타겟 파장(409))의 세부 사항은 본 명세서를 읽은 후 통상의 기술자에게 명백한 다양한 다른 요인들 및 이미지 센서(200)에 의하여 분석되는 스펙트럼의 전체 주파수 범위 뿐만 아니라, 이미지 데이터 대 스펙트럼 데이터가 도 2의 이미지 센서(206)로부터 얻어질 수 있는 각도들 (이미지 센서(206)의 물리적 설계 변수를 기반으로 할 수 있는), 분산 구조들(300a-300n)의 수, 추구되는 임의의 리던던시에 기초할 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 도 10에서 보다 상세하게 보여질 바와 같이, 분산광(410)의 파장의 강도는 분산 각도에 따라 달라질 수 있고 이는 투과 각 강도(transmitted angular intensity)로 알려질 수 있다. 파장의 투과 각 강도는 필터층(404) 물질의 굴절률 및 두께, 나노구조층(402)의 조성, 산란광(408), 및 (제1 및 제2 층들(405, 406))의 스택 수에 대한 함수일 수 있다. 각 파장 별로 투과 각 강도를 계산할 수 있고, 각 강도의 분포를 생성할 수 있다. 분산광(410)의 분산은 분포로부터 계산될 수 있다. 상기 계산은 제1 및 제2 층들(405, 406)의 두께, 물질들, 및 스택의 수를 포함하여, 필터층(404)을 설계하는 데 사용될 수 있다. 더 자세한 사항은 아래에 더 제공된다.
도 5는 일부 실시예들에 따른 분산 어레이(204)를 제조하기 위한 프로세스(500)의 그래픽 예시를 제공한다. 도 4에서 논의된 바와 같이, 제1 분산 구조(300a)는 나노구조층(402) 및 필터층(404)을 포함할 수 있다. 도 5는 분산 구조들(300a-300n)의 측면도를 보여줄 수 있으며, 여기서 나노구조층(402) 또는 필터층(404)의 추가 층들이 제조 공정 동안 생성되거나 사용될 수 있다. 예시적인 그림에서, 결함층(407)은 8개의 단차들을 가질 수 있고, 8개의 분산 구조들(300a-300n)을 나란히 갖는 분산 어레이(204)를 보여줄 수 있다. 분산 어레이(204)의 제조는 모노리식(monolithic)일 수 있다; 즉, 모든 분산 구조들(300a-300n)의 설계는 함께 수행될 수 있다.
기판(501)의 층은 분산 구조들(300a-300n)에 추가 층들을 추가하기 위한 베이스로서 사용될 수 있다. 기판(501)은 유리, 실리콘, 또는 관심 파장 범위에서 다른 광학적으로 투명한 물질일 수 있다. 기판(501)은 제조 공정에서 사용될 수 있고, 제조 이후 폐기될 수 있다. 구조(510)에서 보여지는 것과 같이, 제1 및 제2 층들(405, 406)이 서로 교번적으로 증착되어, 제1 필터층(502)을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 층들(405, 406)은 2개의 상이한 물질로 구성된다; 그러나, 사용되는 다른 물질의 추가 층들이 있을 수 있다. 제1 층(405)는 제1 두께(d1)일 수 있고, 제2 층(406)은 제2 두께(d2)일 수 있다. 교번하는 제1 및 제2 층들(405, 406)은 동일한 두께(d1 및 d2)를 갖거나, 다를 수 있다. 제1 필터층(502)은 통과할 선택 파장의 필터링을 허용할 수 있다.
결함층(407)이 제1 필터층(502) 상에 제조될 수 있다. 결함층(407)은 다양한 두께들의 계단식 단차 패턴을 포함할 수 있다. 결함층(407)의 다양한 두께들은 빛의 다양한 파장 범위의 분산을 허용할 수 있다. 결함층(407)은 결함 준비층(504) 및 하나 이상의 결함 포토리소그래피 층들(503)로 제조될 수 있다. 결함 포토리소그래피 층(503)은 하나 이상의 리소그래피 마스크들일 수 있고 폴리머 필름일 수 있다. 결함 준비층(504)은 제1 및 제2 층들(405, 406) 중 하나와 동일한 물질이거나 상이한 물질일 수 있다. 결함 준비층(504)은 제1 필터층(502) 상에 증착될 수 있다. 결함 포토리소그래피 층(503)은 결함 준비층(504) 상에 증착되어, 리소그래피 구조(511)를 형성할 수 있다. 포토리소그래피 마스킹 및 에칭은 결함 포토리소그래피 층(503)에 적용되어 (아래에서 더 상세히 설명되는 하나 이상의 반복된 공정에서), 결함 준비층(504)의 구조를 변경할 수 있고, 결함층(407)의 최종 구조 (아래에서 더 상세히 설명)의 결함층(407)을 포함하는 구조(512)를 형성할 수 있다.
추가적인 제1 및 제2 층들(405, 406)이 결함층(407) 상에서 서로 교번적으로 증착되어, 제2 필터층(505)을 형성할 수 있다. 제1 필터층(502), 결함층(407) 및 제2 필터층(505)은 도 4의 필터층(404)을 구성할 수 있다. 도 5를 다시 참조하면, 캐핑 스택(506)이 제2 필터층(505) 상에 증착되고 평탄화되어 구조(513)를 형성할 수 있다. 캐핑 스택(506)은 일시적으로 증착된 리소그래피 마스크(507)를 가질 수 있고, 이는 에칭에 의해 나노 구조 열들(403a-403n)의 리소그래픽 생성을 허용하여 구조(514)를 형성한다. 각각의 분산 구조(300a-300n)에서 나노 구조 열들(403a-403n)이 에칭될 때 리소그래피 마스크(507)는 제거될 수 있으며, 분산 구조들(300a-300n)일 수 있는 구조(515)를 형성한다.
일 실시예에서, 제1 층(405)은 이산화 티타늄(TiO2)일 수 있고, 스퍼터링 방법을 이용해 증착될 수 있지만 기판(501) 상에 물질을 증착하는 임의의 다른 기술로 증착될 수도 있다.
제2 층(406)은 이산화 규소(SiO2)일 수 있다. 제2 층(406)은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 통해 증착될 수 있지만 임의의 다른 기술로 증착될 수도 있다.
일 실시예에서, 800 nm의 파장을 타겟으로 하기 위해, 제1 층(405)은 TiO2를 포함하고 제2 층(406)은 SiO2를 포함하고, 제1 층(405)의 두께는 83 nm의 두께이고, 제2 층(406)의 두께는 135 nm일 수 있다. 결함층(407) 이전에, 총 8개의 층들(제1 층(405)의 4개 층들이 제2 층(406)의 4개 층들과 교번되는)에 대해 서로의 위에 적층된 제1 및 제2 층들(405, 406)의 4개의 스택들이 있을 수 있다. 스택들은 더 적거나 더 많을 수 있다. 결함층(407) 이후에 제1 및 제2 층들(405, 406)의 또 다른 4개의 스택들이 있을 수 있다. 다른 파장들을 타겟으로 하기 위해, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 다른 두께가 사용될 수 있다. 스택들은 더 적거나 더 많을 수 있다.
전술한 바와 같이, 결함층(407)은 결함 준비층(504)일 수 있는 제1 층(405) 또는 제2 층(406)의 더 두꺼운 층을 증착함으로써 형성될 수 있다. 그레이스케일(greyscale) 리소그래피 기술이 결함층(407)을 형성하기 위해 적용될 수 있다. 자외선(UV) 노광이 결함 포토리소그래피 층(503)에 적용될 수 있다. 결함 포토리소그래피 층(503)은 결함 준비층(504)의 전체 표면을 덮을 수 있다. 도 5에 도시된 예와 같이, UV 방사가 X-축 방향으로의 범위(508)에 걸쳐 적용될 수 있고, UV 노광의 총 용량은 범위(508)에 걸쳐 달라질 수 있다. UV 방사는 Z-축 방향으로도 적용될 수 있다. UV 노광의 가변 용량 전력 또는 가변 시간 용량이 적용될 수 있고, 이는 X-축 방향을 따른 에칭 처리 하에서 결함 포토리소그래피 층(503)의 내구성에 영향을 미칠 것이며, 결함층(407) 두께의 가변을 야기할 수 있다. 예를 들어, 8개 구간(division)에 대한 가변 용량 전력 레벨은 x, 7/8x, 6/8x, 최저로 1/8x 의 전력 레벨일 수 있다. UV 노광의 가변 시간 용량은 동일한 전력 레벨 x를 가질 수 있고, 각 구간에 대해 t, 7/8t, 6/8t, 최저로 1/8t의 시간을 가질 수 있다. UV 노광이 적용된 후, 에칭이 수행될 수 있고, 이는 결함층(407)을 형성할 수 있다. 에칭은 건식 또는 습식 에칭일 수 있다.
예시적인 대안적 접근에서, 결함층(407)의 계단형 구조는 반복된 에천트(etchant) 마스킹 리소그래피를 이용하여 결함 준비층(504)으로부터 형성된다. 구체적으로, 리소그래피의 각 라운드(round)에서, 이전의 에천트 마스킹 단계보다 한 스텝(step) 더 적은 스텝을 커버하는 에천트 마스크가 사용되고, 장치는 높이가 한 “스텝” 더 아래로 에칭된다. 이 과정을 반복하면 계단식 구조가 형성된다.
도 6은 예시적인 제1 분산 구조(300a)의 상면도를 도시하고, 특히 도 4의 나노구조층(402)의 상면도를 보여준다. X-축 방향을 따라, 나노구조 열들(403a-403n)이 분포되어 있다. 나노구조 열(403a-403n)은 Z-축 방향으로 배열되는 복수 개의 나노홀들 또는 나노안테나들(여기서는, 나노홀들로 도시됨)을 포함할 수 있다. 나노구조 열들(403a-403n)은 X-축 방향을 따라 서로 옆에 배치될 수 있고, Z-축 방향을 따라 평행하게 배열될 수 있다. 나노구조 열들(403a-403n)은 패턴으로 분포될 수 있고, 패턴은 준-랜덤(semi-random) 패턴일 수 있다. 서로 인접한 두 개의 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 거리는 X-축 방향을 따라 서로 인접하는 열에 대해 허용 가능한 최소 거리와 최대 거리 사이에서 랜덤하게 분포될 수 있다. 일 실시예에서, 나노구조 열들(403a-403n)은 제1 분산 구조(300a)의 타겟 파장 범위의 가장 긴 파장(이는 타겟 파장(409)일 수 있다.) 길이의 절반의 서로 인접한 열들 사이의 최대 거리를 가질 수 있다. 준-랜덤 패턴은 균일한 분포를 위해 역변환 샘플링을 사용하여 달성될 수 있다. 준-랜덤 패턴은 이웃하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 공간적 상관관계를 낮게 또는 전혀 허용하지 않을 수 있다. 공간적 상관관계가 낮거나 전혀 없는 경우, 이는 각도 범위(401, 입사각 범위)가 제1 각도 범위(412)와 제2 각도 범위(413)에 걸쳐 빛의 일정한 출력 산란 범위를 허용할 수 있도록 할 수 있다. X-축 방향을 따른 나노구조 열들(403a-403n)의 랜덤한 분포는, 열 패턴(row pattern)이 없고 이에 따라 패턴에 대한 빛의 의존성이 없으므로, 나노구조층(402)이 도 4의 입사광(201)의 편광으로부터 독립적으로 작동하도록 허용할 수 있다.
일 실시예에서, 403a와 같은 나노구조 열들은 나노홀들(601a-601n)을 포함할 수 있다. 나노구조 열들(403a-403n)은 각각 나노홀들(601a-601n)의 세트의 복사본들을 포함할 수 있다. 나노홀들(601a-601n)은 반경, 두께, 및 403a와 같은 대상 나노구조 열 내의 서로 인접한 나노홀들 간의 거리가 유사하거나 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 나노홀들(601a-601n)은 140 nm의 반경과 750 nm의 깊이를 가질 수 있지만, 이보다 더 크거나 더 작을 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀들(601a-601n)은 대략적으로 동일하게 서로 이격될 수 있다. 나노홀들(601a-601n)은 Z-축 방향으로의 산란이 거의 또는 전혀 없이 빛이 통과할 수 있도록 서로 인접하게 배치될 수 있다. Z-축 방향으로의 산란이 거의 또는 전혀 없이 빛이 통과할 수 있도록 하려면, 다음의 조건을 만족해야 한다:
Figure pat00001
파장
Figure pat00002
가 관심 파장인 경우,
Figure pat00003
은 나노홀들(601a-601n)의 굴절률일 수 있고, d 는 서로 인접한 나노홀들(601a-601n) 간의 거리일 수 있다. 예를 들어, 나노홀들(601a-601n)은 제1 나노구조 열(403a)의 서로 인접한 나노홀들 사이에 10 nm 내지 200 nm의 거리를 가질 수 있고, 약 1.5의 굴절률을 가질 수 있으며, 이는 가시광선 및 근적외선(NIR) 모두의 산란을 허용할 수 있다. 비산란 또는 저산란 조건은 아래에 설명된 1차원 구조의 설계에 사용될 수 있다.
1차원 구조는 X-축 방향을 따른 나노구조 열들(403a-403n)의 분포와 같은 1차원 패턴을 제공할 수 있다. 패턴은 나노구조 열들(403a-403n)의 반복 또는 랜덤 분포일 수 있고, 나중에 보다 자세히 논의될 것이다. 1차원 구조는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 나노홀들(601a-601n)을 Z-축 방향으로 동일한 수 또는 배치를 유지하는 것과 같이, 2차원에서의 일관성을 유지할 수 있다; 나노홀들(601a-601n)의 동일한 수 또는 배치는 각각의 나노구조 열들(403a-403n)에 대해 반복될 수 있다.
2차원 구조는 1차원 및 2차원 모두에 패터닝을 제공할 수 있다. 예를 들어, 나노구조 열들(403a-403n)은 X-축 방향을 따라 패턴을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 패턴은 X-축 방향을 따라 최소 거리와 최대 거리 사이에 랜덤하게 분포된 나노구조 열들(403a-403n)일 수 있다. 추가적으로, 제1 나노구조 열(403a)은 열 내에서 Z-축 방향으로 패터닝된 나노홀들(601a-601n)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 나노구조 열(403a)은 각각의 나노홀(601a-601n) 사이에 상이한 직경들, 모양들, 두께들, 및 간격의 패턴을 갖는 나노홀들(601a-601n)을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 빛은 제1 분산 구조(300a)를 통해 일 방향으로 산란될 수 있고, 이는 도 6의 X-축 방향(나노구조 열들(403)에 수직한)을 따를 수 있으나, Z-축 방향으로 보여지는 나노구조 열들(403a-403n)에 평행한 방향을 따라 실질적으로 산란되지 않을 수 있다. 이러한 단일 축 산란은, 나노홀들(601a-601n) 간의 거리가 입사광(201)의 파장보다 작기 때문에 빛이 거의 또는 전혀 산란이 없이 실질적으로 통과할 수 있도록 허용하는 Z-축 방향을 따르는 나노홀들(601a-601n) 간의 근접성 때문일 수 있다. 나노구조 열들(403a-403n)이 산란이 발생하지 않고 특정 파장의 빛이 통과하지 못하도록 충분히 멀리 이격되어 있기 때문에 (준-랜덤 분포에 따라), X-축 방향을 따라 산란이 발생할 수 있다.
구체적으로, 제1 나노홀(601a)의 반경 r은 입사광(201)에 위상 천이 θ 를 부여할 수 있고, 이는 도 4에 도시되고 전술한 바와 같이 근접장 응답(411)을 초래할 수 있다. 제1 나노홀(601a)과 같은 개별 나노홀의 근접장 응답(411)은
Figure pat00004
로 지칭될 수 있다. 도 4의 근접장 응답(411)은 도 6의 모든 나노구조 열들(403a-403n)에 대한 나노홀들(601a-601n)의 근접장 응답들(411)의 합을 포함할 수 있다.
Mie 산란으로 인해, 제1 나노홀(601a)의 반경 r이 더 큰 경우 더 많은 산란을 허용하고, 더 작은 경우 더 작은 산란을 허용할 수 있다. 하나의 제1 나노홀(601a)에 의해 산란되는 빛은 원뿔형으로 산란될 수 있다. 일 실시예에서, 반경 r은 약 140 내지 150 nm일 수 있다; 그러나, 반경은 타겟 파장(409)에 따라 더 크거나 더 작을 수 있다. 아래에서 논의되는 바와 같이, 나노홀들(601a-601n)이 제1 나노구조 열(403a)를 형성할 때, 나노홀들(601a-601n)의 Z-축 방향으로의 근접성 때문에 빛이 통과하고 Z-축 방향으로 실질적으로 분산되지 않을 수 있다.
나노구조 열들(403a-403n)을 X-축 방향으로 분포시킬 때, 도 4의 입사광(201)의 산란은 X-축 방향으로 제한될 수 있다. 나노홀들(601a-601n)의 반경 r을 선택하고 나노구조 열들(403a-403n)을 준-랜덤하게 분포시킴으로써, 나노구조 열들(403a-403n)은 Mie 산란으로 인한 선택 파장들과 선택 각도들에서의 빛을 산란시키도록 설계될 수 있다. 모든 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 평균 거리는 빛이 산란되는지 여부와 어떤 파장에서 산란되는지를 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 열들의 분포는 나노구조 열들(403a-403n)의 밀도에 의존할 수 있다. 나노구조 열들(403a-403n)의 밀도는 나노홀들(601a-601n)의 표면적을 전체 표면으로 나눈 것일 수 있다. 1차원 구성의 경우, 나노구조 열들(403a-403n)이 서로 더 가깝게 이격될 때 밀도가 더 높을 수 있고, 나노구조 열들(403a-403n)이 보다 더 이격될 때 더 낮을 수 있다. 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 간격은 열 밀도(row density)로 알려질 수 있다. 열 밀도는 제1 분산 구조(300a) 상의 단위 길이 당 나노구조 열들(403a-403n)의 개수일 수 있고, 1차원 구성에 대한 밀도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 열 밀도를 변경함으로써, 제1 분산 구조(300a)의 효율(efficiency)이 변경될 수 있다.
센서(200)가 이미지 및 스펙트럼 데이터를 판독하는 경우, 효율은 스펙트럼 판독 각도 범위(414)에서 분산광(410)의 강도를 입사광(201)의 강도를 나눈 비율일 수 있다. 센서(200)가 스펙트럼 데이터만을 판독하는 경우, 효율은 제2 각도 범위(413)에서 분산광(410)의 강도를 입사광(201)의 강도로 나눈 값일 수 있다. 강도는 럭스(lux) 단위로 측정될 수 있다. 효율은 입사광(201)의 강도에 대한 이미지 센서(206)에 의해 분산되고 스펙트럼적으로 판독되는 비정반사 전방 산란광(non-specular forward-scattering light)으로 알려질 수 있다. 나노구조 열들(403a-403n)의 밀도를 결정하기 위해 효율이 사용될 수 있다. 비정반사와 반대되는 정반사 전방 산란광은 0차 투과광을 포함할 수 있으며, 이는 산란광(408)일 수 있다. 비정반사 전방 산란광은 더 높은 차수 또는 0차가 아닌 투과광을 포함할 수 있으며, 이는 0이 아닌 각도로 분산된 빛일 수 있다. 이미지 센서(206)는 비정반사광의 스펙트럼을 판독할 수 있다. 더 높은 효율은 입사광(201)의 산란 확률을 높일 수 있다. 입사광(201)의 산란을 결정하는 것은, 아래에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 타겟 파장(409), 홀 밀도 및 열 밀도에 의존할 수 있다.
나노구조 열들(403a-403n)의 주어진 밀도에 대한 제1 분산 구조(300a)의 효율을 결정하기 위해, 아래에 설명된 바와 같이, 나노홀들(601a-601n) 분석의 근접장 응답(411)이 수행될 수 있다. 근접장 응답(411)
Figure pat00005
은 사용된 나노홀들(601a-601n)의 반경에 의존할 수 있다. 나노홀들(601a-601n)의 집합적 근접장 응답들(411)은 제1 분산 구조(300a)의 나노구조 열들(403a-403n)의 열 밀도를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 제1 나노홀(601a)은 반경
Figure pat00006
을 가질 수 있고,
Figure pat00007
은 나노홀들(601a-601n)에 걸쳐 유사할 수 있으며, 이는 방정식을 따를 수 있다:
Figure pat00008
여기서,
Figure pat00009
는 입사광(201)의 위상 천이일 수 있고, i는 허수 단위, R은 빛이 더 이상 산란되지 않을 수 있는 제1 나노홀(601a)의 반경이며 R은 산란될 파장의 폭의 절반일 수 있다. 나노홀들(601a-601n)의 반경을 결정함으로써, 제1 분산 구조(300a)의 밀도가 결정될 수 있다.
나노구조 열들(403a-403n)의 더 높은 열 밀도에서, 입사광(201) 산란의 양은 서브파장(subwavelength) 조건으로 인해 감소할 수 있다. 이하에 더 설명되는 바와 같이, 서로 인접하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 평균 거리 d 가 타겟 파장(409)의 1/2의 서브파장의 최대값에서 0 nm로 감소함에 따라 서브파장 조건이 발생할 수 있다.
서로 인접하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 분포 및 평균 거리를 포함하는 열 밀도는 산란될 수 있는 입사광(201)의 타겟 파장(409)에 의해 결정될 수 있다. 서로 인접하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 최대 거리는 입사광(201)의 타겟 파장(409)의 서브파장보다 서로 더 가까울 수 있다. 예를 들어, 800 nm 파장에서 서브파장은 400 nm일 수 있고, 서로 인접하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 최대 거리는 400 nm일 수 있다. 800 nm 파장에서, 서로 인접하는 나노구조 열들(403a-403n)이 서로 400 nm 내에 있는 경우, 800 nm 파장이 산란될 수 있다. 2개의 서로 인접하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 거리가 최대 400 nm 거리에 더 가깝다면, 더 많은 산란이 있을 수 있다. 2개의 서로 인접하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 거리가 0 nm 거리에 더 가깝다면 산란이 더 적을 수 있다. 따라서, 나노구조 열들(403a-403n)의 배치를 설계할 때, 열 밀도는 산란 효율에 영향을 미칠 수 있다. 추가적으로, 나노구조 열들(403a-403n)의 배치에 패턴이 있다면, 광 산란은 나노구조 열들(403a-403n)의 패턴에 의존할 수 있다. 예를 들어, 나노구조 열들(403a-403n)이 균일하게 이격되거나 반복적인 패턴으로 이격된 경우, 타겟 파장 범위의 산란은 각 파장에 대해 고정된 각도에서 발생할 수 있고 제1 각도 범위(412) 또는 제2 각도 범위(413)에 걸쳐 산란되지 않을 수 있다. 따라서, 나노구조 열들(403a-403n)의 배치는 역변환 샘플링을 사용하는 준-랜덤 균일 분포이고, 최소 거리와 최대 거리 사이의 랜덤 분포를 생성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 나노구조 열들(403a-403n)의 분포는 확률 밀도 함수
Figure pat00010
에 의해 결정될 수 있다. 확률 밀도 함수는 각 열의 랜덤화된 배치에 대한 경계를 제공하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 나노구조 열들(403a-403n)의 확률 분포의 푸리에 변환은
Figure pat00011
으로 기록될 수 있다. 확률 밀도 함수의 푸리에 변환은 나노구조 열들(403a-403n)이 어떻게 랜덤 또는 준-랜덤으로 분포되는지를 결정하는 데 사용될 수 있다. 푸리에 변환은 나노구조 열들(403a-403n)의 분포에 대한 특성 함수일 수 있다. 푸리에 변환
Figure pat00012
은 나노구조 열들(403a-403n)의 분포가, 산란광
Figure pat00013
로 표시될 수 있는, 산란광(408)과 가능한 독립적으로 되도록 나노구조 열들(403a-403n)의 랜덤 분포를 구성하도록 사용될 수 있다.
랜덤 분포를 구성하기 위해 사용되는 푸리에 변환으로, 나노구조 열들(403a-403n)의 준-균일(semi-uniform) 랜덤 분포가 생성되어, 이웃하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 공간적 상관관계가 없도록 할 수 있다. 이웃하는 나노구조 열들(403a-403n) 사이의 공간적 상관관계의 결여는 다양한 각도 범위(401, 입사각 범위)를 허용하여 제1 각도 범위(412) 및 제2 각도 범위(413)에 걸쳐 빛의 일정한 출력 산란 범위를 허용할 수 있다.
투과광의 정반사 항(specular term)
Figure pat00014
는 산란광(408)의 위치 정보를 제공할 수 있으며, 이는 입사 이미지를 구성하는 데 사용될 수 있다. 산란광(408) 및 분산광(410)의 위치 정보는 제1 분산 구조(300a)로부터의 동시 이미징 및 분광법을 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 각도에 무관한 분광법을 위해 큰 각도의 빛의 산란을 최적화하는 것이 유리할 수 있다.
도 7은 제1 분산 구조(300a)의 1차원 구성에 대한 설계 분석을 도시한 것이다. 이는 700 nm 내지 725 nm의 타겟 파장 범위를 갖는 제1 분산 구조(300a)에 대한 예시적인 효율 대 밀도 관계를 예시한다. 일부 실시예들에서, 도 4의 근접장 응답(411)의 효율과 도 6의 나노구조 열들(403a-403n)의 상이한 전체 밀도 사이에는 관계가 있다. 효율 관계는 나노구조 열들(403a-403n)의 열 밀도를 결정하는 데 사용될 수 있다.
도 8은 나노안테나들(801)을 포함할 수 있고 도 6의 나노홀들(601a-601n)에 대한 대안적 실시예로 사용될 수 있는 예시적인 나노구조층(402)의 상면도를 도시한다. 나노안테나들(801)은 서브파장 두께들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 타겟 파장(409)의 절반의 서브파장이 사용될 수 있다. 나노안테나들(801)은 플라즈모닉(plasmonic) 물질 또는 유전체 물질로 만들어질 수 있다. 나노안테나들(801)은 공간적으로 배열된 메타원자들(meta-atom)를 통해 빛을 조작할 수 있다. 메타원자는 구멍, 안테나 또는 다른 모양과 같은 구조화된 패턴의 원자 부분일 수 있다. 나노안테나들(801)은 약 10 nm 내지 1000 nm 크기의 안테나들일 수 있다.
플라즈모닉 물질은 금속, 투명 전도성 산화물, 전이 금속 질화물 또는 2D 물질을 포함할 수 있다. 플라즈모닉 나노안테나들은 플라즈몬 공명을 통해 빛과 상호 작용할 수 있다. 상호 작용 중에, 플라즈모닉 나노안테나들의 전자들은 외부 전기장으로 인해 정상 상태 위치(steady-state position)로부터 이동할 수 있으며, 이는 분극(polarization)으로 알려질 수 있다. 전자의 분극은 전자를 정상 상태로 복원하기 위해 내부 장(internal field)을 형성할 수 있다. 외부 전기장의 영향 하에, 전자의 진동은 플라즈몬 공명의 스펙트럼 폭에 걸쳐 pi의 위상 천이를 생성할 수 있다. 플라즈모닉 구조의 구축 물질로 금 및 은과 같은 귀금속이 사용될 수 있다. 2개의 공명 모드들을 지원하기 위한 V자형 나노안테나를 생성하고 얇은 유전체 스페이서에 의해 나노안테나 어레이로부터 분리된 금속 접지 면을 통합하는 것과 같은 추가적 수정이 이용될 수 있다. 얇은 유전체 스페이서를 추가함으로써, 입사광은 나노안테나(801)와 접지 면에 역평행(antiparallel) 전류를 유도할 수 있고, 이는 갭 공명(gap resonance)를 생성하고 0 내지 2 pi의 위상 천이를 제공할 수 있다.
플라즈모닉 나노안테나들은 집속 이온 빔 밀링(focused-ion beam milling)에 의해 제조될 수 있다. 집속 이온 빔에서 얇은 금속 층을 밀링하여 플라즈모닉 나노안테나 구조를 만들 수 있다. 나노안테나들(801)은 유전체 나노안테나들 또는 유전체 나노홀들일 수 있다. 유전체 나노안테나들 또는 나노홀들은 Mie 산란을 통해 빛을 조작할 수 있다. 유전체 나노안테나들은 전자빔(e-beam) 리소그래피 및 전자빔 증발을 사용하여 제조될 수도 있다.
도 9는 도 2의 분산 어레이(204)의 실시예에 대한 다양한 파장들에서의 광 분산 효율을 예시하는 그래프의 예를 도시한다. 제1 파장 대역에 대한 효율 응답은 제1 분산 구조(300a)에 대응하는 응답(901a)일 수 있다. 후속 응답들(901b-901n)은 후속 분산 구조들(300b-300n)와 관련될 수 있다. 도 9는 분산 구조들(300a-300n)의 효율, 도 6의 각각의 나노구조 열들(403a-403n)을 구성하고 검증하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 효율은 분산 구조들(300a-300n)을 보정하는 데 사용될 수 있다. 또한, 분광법 목적으로도 사용될 수 있다. 이미지가 도 2의 센서(200)에 의해 판독될 때, 스펙트럼 응답 부분은 도 9와 같은 효율 그래프를 참조하여 해석될 수 있다.
이 예에서, 분산 어레이(204)는 약 700 내지 900 nm 파장의 빛에 대한 분산 효율을 누적적으로 제공할 수 있는 n=8 분산 구조들(300a-300n)을 포함할 수 있다. 도 3의 분산 구조들(300a-300n)은 각각 901a-901n에 상응하는 분산 효율 응답을 가질 수 있다.
도 10은 도 4의 분산광(410)의 다양한 분산 출력 각도들 θ의 각 강도 분산 곡선을 도시하며, 이는 300a-300n과 같은 분산 구조의 예시적인 실시예의 결과이다. 예시된 파장 의존 분산 각도는 도 4의 나노구조층(402)의 변수를 설계할 때 사용될 수 있고 (예를 들어, 300a와 같은 특정 분산 구조를 설계할 때), 이미지 센서(206)를 설계할 때도 사용될 수 있다. 일 예에서, 도 10은 800 nm 내지 835 nm 사이의 분산광(410)의 타겟 파장 범위를 갖는 제1 분산 구조(300a)의 각 강도 분산을 나타낼 수 있다. 835 nm의 파장은 0°의 분산으로 예시적인 제1 분산 구조(300a)를 통과할 수 있다. 약 +/- 30°의 분산 출력 각도 θ는 제2 각도 범위(413)일 수 있는 800 nm 내지 835 nm의 파장 범위에 상응할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 각도 범위(413)과 분광법에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 각도 범위(412)는 분광법이 아닌 이미징에 사용되는 파장일 수 있다. 제1 각도 범위(412)는 +/- 15°일 수 있다. 스펙트럼 판독 각도 범위(414)는 +/- 15° 내지 +/- 30°일 수 있다.
300b-300n과 같은 다른 분산 구조들의 경우, 분산광(410)의 상이한 타겟 파장 범위들이 있을 수 있고, 따라서, 상이한 파장들이 특정 각도들(예를 들어, +/- 30°)로 분산될 수 있다.
설계 관점에서, 각 파장의 분산 각도는 지수적으로 확장된 로렌츠 분포(Lorentzian distribution)에 피팅(fit)할 수 있고, 그 결과 도 10과 유사한 그래프가 생성될 수 있다.
지수적으로 확장된 로렌츠 분포의 피팅으로부터 파장에 대한 피크 위치를 추출할 수 있다. 그 다음, 피크 위치는 분산광(410)에 대한 타겟 파장(409) 및 필터층(404)에 대한 굴절률 n*을 추출하기 위해 아래 방정식에 피팅될 수 있다. 제1 분산 구조(300a)의 특성을 결정하기 위하여, 분산 각도 및 파장에 대한 피팅의 반치전폭(full-width at half maximum; FWHM)이 아래 계산에 고려될 수 있다. 분산광(410)의 분산 각도
Figure pat00015
는 분산광(410)(λ 0)의 타겟 파장(409) 및 필터층(404)의 굴절률 n*에 의존할 수 있다:
Figure pat00016
일부 실시예들에서, 이러한 피크 위치는 분산광(410)의 타겟 파장(409)을 결정하는 데 사용될 수 있고, 이는 분산 구조들(300a-300n)을 갖는 분산 어레이(204)를 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 11은 특정 높이(페이지로부터 벗어남)에 있는 도 2의 개구(202) 및 분산 어레이(204)(및 가능하게는 렌즈(205))를 통과한 후, 이미지 센서(206)의 중앙을 통해 입사하고 중심 축을 정의하는 입사광(201)과 함께 도 2의 이미지 센서(206)를 측면에서 본 이미지 센서(206)를 도시한 것이다. 이미지 센서(206)는 각각 복수의 픽셀들을 포함하는 내부 영역(208) 및 외부 영역(209)을 포함한다. 내부 영역(208)은 분산 어레이(204) 및 렌즈들(205)로부터 이동하는 입사광(201)의 축으로부터 제1 각도 범위(412)에 있는 제1 픽셀 세트를 포함하는 반면, 외부 영역(209)은 내부 영역(208)에 의해 아직 포함되지 않은 분산 어레이(204) 및 렌즈(205)로부터 이동하는 입사광(201)의 축으로부터 더 큰 제2 각도 범위(413) 내에 있는 제2 픽셀 세트를 포함한다. 이미지 센서(206)의 내부 영역(208) 및 외부 영역(209)은 도 12에 도시된 바와 같이, 도 3의 분산 구조들(300a-300n)로부터의 이미징 및 스펙트럼 데이터를 판독할 수 있다.
보다 구체적으로, 특정 실시예들에서, 내부 영역(208)은 산란광(408)을 이미지화하는 데 사용될 수 있고, 외부 영역(209)은 분산광(410)의 스펙트럼을 판독하기 위해 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 내부 영역(208)은 논리적으로 원으로 그룹화된 픽셀 세트일 수 있고, 외부 영역(209)은 내부 영역(208)과 동축의 고리로서 논리적으로 함께 그룹화된 픽셀 세트일 수 있다. 다른 실시예들에서, 내부 영역(208) 및 외부 영역(209)은 스펙트럼 데이터만을 판독하기 위해 함께 사용될 수 있다.
더 구체적으로, 필터층(404)은 빛의 파장에 기초한 정확한 분산 각도와 함께, 제1 각도 범위(412) (예를 들어, 산란광(408)) 내의 특정 파장의 빛과 제2 각도 범위(413) 내의 상이한 파장들의 선택 세트의 분산광(410)을 분산 없이 통과시킬 수 있음을 상기한다. 파장에 의존하는 각도로 분산된 빛만이 이러한 픽셀들에 도달하기 때문에 스펙트럼 판독은 외부 영역(209)의 센서 픽셀들을 사용하여 수행될 수 있다.
내부 영역(208)은 감소된 산란을 겪고 스펙트럼적 분산광(410)의 일부만을 포함하는 빛을 수신하기 때문에 그 내부에 있는 모든 수신광으로부터 이미징 데이터를 판독할 수 있다.
예를 들어, 제1 각도 범위(412)가 0° 내지 +/- 15°이고, 제2 각도 범위(413)가 0° 내지 +/- 30°인 경우, 내부 영역(208)은 0° 내지 +/- 15° 범위의 가시광을 이미지화할 수 있고, 외부 영역(209)은 15° 내지 +/- 30° 범위의 근적외선(NIR) 광을 판독할 수 있다.
도 12는 입사광(201)에 의해 조명될 수 있는 합성 이미지(1201)를 도시한다. 일 실시예에서, 입사광(201)은 가시광 또는 근적외선(NIR) 광대역 광을 포함할 수 있다.
합성 이미지(1201)는 중심으로부터 가장자리를 향해 방사형으로 방사되는 줄무늬가 있는 중심을 갖는 것으로 보일 수 있다. 합성 이미지(1201)는 예시 목적으로 거짓 색상일 수 있다. 합성 이미지(1201)는 단색 센서로 포착(capture)된 이미지의 거짓 색상 표현일 수 있고, 색상은 이미지의 강도 또는 밝기를 나타낼 수 있다. 합성 이미지(1201)는 빛의 산란(산란광(408))과 빛의 분산(분산광(410)) 모두로 인해 흐릿하게 보일 수 있다. 1204와 같은 줄무늬는 분산 구조들(광 분산 메커니즘, 300a-300n) 중 하나로부터 단일 축을 따라 빛이 산란된 결과일 수 있다.
도 3을 참조하면, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 하나의 차원에서 빛을 산란 및 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 분산 구조들(300a-300n)은 분산 구조(300a-300n)를 포함하는 나노구조 열들(403)에 수직인 축을 따라 빛을 산란 및 분산시킬 수 있다. 각각의 분산 구조(300a-300n)는 다른 분산 구조들(300a-300n)과 다른 각도에 있기 때문에, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 분산 어레이(204) 내의 분산 구조들(300a-300n)의 배치에 상응하는 정의된 방향으로 고유한 줄무늬를 생성한다. 도 12는 n=8인 분산 구조들(300a-300n)을 도시한 것이고, 여기서 합성 이미지(1201)에 보여지는 산란 및 분산된 빛의 줄무늬는 모두 서로 22.5° 이격되어 있고, 각각은 분산 구조 각도(301a-301n)에 상응한다.
각각의 분산 구조(300a-300n)는 정의된 타겟 파장 범위 세트(위에서 논의된 바와 같이, 각각의 타겟 파장(409) 및 결함층(407)의 치수에 부분적으로 기초하는) 내에서 입사광(201)을 분산시키도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 분산 구조(300a-300n)는 제1 분산 구조(300a)에 대한 줄무늬(1204)와 같은 분산된 스펙트럼 광의 고유한 선형 줄무늬를 생성할 수 있다. 또한, 위에서 논의된 바와 같이, 각각의 줄무늬는 이미지 센서(206)와 분산 어레이(204)의 물리적 결합으로 인해 고유하게 알려진 위치 및 방향에서 발생할 수 있다. 마지막으로, 각각의 줄무늬 내에서, 각각의 특정 파장은 이미지의 중심에서 알려진 거리에 상응하는 알려진 각도로 분산된다. 따라서, 분산 어레이(204)의 전체 타겟 파장 범위 내에서 수신된 빛의 각각의 파장은 이미지 센서(206) 상의 알려진 영역에, 따라서 알려진 픽셀 상에 도달할 수 있다. 이 정보로부터, 주어진 광 신호의 스펙트럼 구성 및 강도(strength)의 정확한 결정은 해당 픽셀로부터 수신된 신호를 기초로 결정될 수 있다.
합성 이미지(1201)가 이미지 센서(206)에 의해 판독된 후, 이미지(1202) 및 스펙트럼 데이터(1203)가 추출될 수 있다. 일 실시예에서, 이미지(1202)는 가시 이미지일 수 있고, 스펙트럼 데이터(1203)는 NIR 스펙트럼일 수 있다. 이미지(1202) 및 스펙트럼 데이터(1203)를 추출하기 위해 후처리 알고리즘(post-processing algorithm)을 적용할 수 있다.
이미지를 재구성하기 위해, 산란에 의해 유도된 아티팩트(artifact)를 제거하기 위해 사후 이미지 처리(post-image processing)가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이는 분산 구조들(300a-300n)의 보정에 기초한 흐림제거 알고리즘(deblurring algorithm)을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이는 시준된 가시광(400-650 nm)에 의해 조명될 때, 각각의 분산 구조(300a-300n)를 통해 투과 각 강도를 측정함으로써 점 확산 함수(point-spread function; PSF)를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 측정된 점 확산 함수(PSF)는 Richardson-Lucy 알고리즘을 사용하여 미가공 이미지로부터 디컨볼루션(deconvolution)될 수 있다. 흐림제거(deblurring)과 링잉 아티팩트(ringing artifact)의 제거 사이의 균형을 제공하기 위해 10번의 반복이 사용될 수 있다.
측정된 스펙트럼을 재구성하기 위해, 일부 실시예들에서, 다음의 절차가 이용될 수 있다. 스펙트럼은 분산 구조들(300a-300n)의 파장 의존 산란 줄무늬의 이상적 모델에 따라 미가공 데이터를 피팅함으로써 미가공 데이터의 스펙트럼 영역으로부터 추출될 수 있다. 입사광(201)이 분산 구조체들(300a-300n)에 영향을 주는 경우, 먼저, 입사광(201)이 제1 분산 구조(300a)의 방향 및 빛의 초기 각도에 따라 다른 각도로 산란될 수 있다. 둘째, 빛의 스펙트럼 내용(예를 들어, 파장)에 따라 일련의 각도에서 빛이 필터링되고 분산될 수 있다.
따라서, 입사광 각도들(
Figure pat00017
) 및 검출기 상의 위치 x, y에 대한 산란 강도 분포
Figure pat00018
를 모델링할 수 있다. 이상적인 분산 구조(300a-300n)는 분산 구조 각도(301a-301n)를 따라 모든 픽셀에 동일하게 산란될 수 있다. 따라서,
Figure pat00019
는 다음과 같이 정의될 수 있다:
Figure pat00020
여기서,
Figure pat00021
는 집속 렌즈의 초점 거리이고,
Figure pat00022
는 분산 구조들(300a-300n)의 축이 배향되는 각도일 수 있다. 주어진 이미지에 대해, 총 산란 강도 분포는 다음과 같을 수 있다:
Figure pat00023
여기서
Figure pat00024
는 모델에서 입력 변수로 취해진 이미지의 강도 분포이다.
스펙트럼 강도
Figure pat00025
와 다른 각도에서의 필터링 효과는 다음에 설명될 수 있다. 주어진 각도
Figure pat00026
에 대해
Figure pat00027
로 알려질 수 있는 분산광(410)의 타겟 파장 범위만이 제1 분산 구조(300a)에 대해 주어진 각도
Figure pat00028
로 투과될 수 있다. 따라서, 픽셀 위치 x, y 에서 스펙트럼 필터링 함수를 다음과 같이 정의할 수 있다:
Figure pat00029
여기서,
Figure pat00030
는 다음과 같이 쓸 수 있는 광학 시스템의 픽셀 위치 x, y 에 상응하는 각도일 수 있다:
Figure pat00031
마지막으로, 분산 구조(300a-300n)에 대한 전체 줄무늬 패턴은 스펙트럼 필터링에 랜덤 산란을 곱하여 최종 스펙트럼 줄무늬 패턴을 얻음으로써 계산될 수 있다:
Figure pat00032
n개의 분산 구조들(300a-300n) 각각에 대해 동일한 계산이 반복될 수 있고, 그 다음 강도 패턴이 함께 합산되어 모델로부터 최종 스펙트럼 줄무늬 패턴을 얻을 수 있다.
측정된 줄무늬 패턴으로부터 스펙트럼을 계산하기 위해, 일부 실시예들에서, 획득된 모델은 예를 들어 공차가 10-6인 최소 제곱 적합 방법(least squares fit method; LSQR)을 사용하여 미가공 데이터에 적합될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 이상적 분산 구조(300a-300n)는 각도에 독립적인 산란 및 투과 효율을 고려한 것이다. 그러나, 실제로는, 산란이 완전히 랜덤할 수 있기 때문에 각도에 대한 약간의 강도 변화가 관찰될 수 있다. 또한, 높은 각도의 빛은 프레스넬 반사로 인해 낮은 각도의 빛보다 필터를 통해 덜 효율적으로 투과될 수 있다. 더욱이, 하나의 분산 구조(300a-300n)에서 다른 파장으로의 전이는 추가적인 오류를 유발할 수 있다. 이를 수정하기 위해, 파장에 따른 보정 항을 스펙트럼에 걸쳐 곱했다.
Figure pat00033
여기서,
Figure pat00034
는 보정된 스펙트럼 강도이고,
Figure pat00035
는 보정 계수이다.
Figure pat00036
를 계산하기 위해, 고해상도 상용 분광기를 사용하여 측정된 스펙트럼은 필터링되지 않은 입사광을 위한 분산 구조들(300a-300n)에 의해 측정된 스펙트럼
Figure pat00037
로 나뉠 수 있다. 이 계수는 분산 구조들(300a-300n)를 이용하여 스펙트럼을 계산하는 데 사용될 수 있으며, 이는 기준 분광기의 측정과 잘 일치함을 보여준다.
보정은 분산 구조(300a-300n)의 비상수(non-constant) 산란을 고려하기 때문에, 빛의 입사각에 따라 바뀔 수 있고 따라서 빛의 입사 이미지에 따라 바뀔 수 있다. 따라서, 각각의 입사각에 대한
Figure pat00038
의 분리 보정 행렬(separate calibration matrix)은 측정될 수 있고 각각의 사용된 이미지를 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이미지를 선험적으로(a priori) 알 수 없는 보다 일반적인 설정에서는 시스템의 선형성을 이용하여 아래와 같이 임의의 이미지에 대한 임의의 보정 계수를 계산할 수 있다:
Figure pat00039
Figure pat00040
Figure pat00041
마지막으로, 보정 계수의 정의를 사용하여 총 보정 계수
Figure pat00042
를 계산할 수 있다:
Figure pat00043
따라서,
Figure pat00044
를 측정하기 위해 사전 보정을 수행하면, 분산 구조들(300a-300n)을 사용하여 얻은 임의의 입사 이미지에 대해 총 보정 계수
Figure pat00045
를 계산할 수 있다. 일단 완전히 보정되면 (예를 들어, 공장에서 생산한 후), 분산 어레이(204) 및 분산 구조들(300a-300n)을 통합하는 센서(200)는 현장에서 스펙트럼을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
도 13은 분산 어레이(204)의 제조 공정(1300)을 도시한다. 보다 구체적으로, 이것은 도 5에 그래픽적으로 도시된 구조(510-515)를 형성하기 위한 공정을 도시한다. 제조 공정(1300)은 모노리식 공정일 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 프로세스(1301)는 기판(501) 상에 제1 층(405)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 제1 층(405)은 제1 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 층(405)은 TiO2일 수 있고 스퍼터링을 통해 증착될 수 있지만, 다른 물질 및 증착 기술이 또한 사용될 수 있다. TiO2 스퍼터링은 반응성 스퍼터링(reactive sputtering), 마그네트론(magnetron) 스퍼터링, rf 마그네트론 스퍼터링 또는 기타 기술일 수 있다. 다른 증착 기술은 졸-겔 방법(sol-gel method), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition), 분자 빔 에피택시(molecular-beam epitaxy) 또는 원자층 증착(atomic layer deposition)을 포함할 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 프로세스(1302)는 전술한 바와 같이 제1 층(405) 상에 제2 층(406)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 층(406)은 SiO2일 수 있고, PECVD 또는 SiO2 스퍼터링을 통해 증착될 수 있지만, 다른 물질 또는 증착 기술이 또한 사용될 수 있다.
제3 프로세스(1303)는 제2 프로세스(1302) 후에 제1 및 제2 층들(405, 406)을 교번적으로 증착하는 것을 포함할 수 있다. 즉, 프로세스들(1301, 1302)은 원하는 수의 제1 및 제2 층들(405, 406)을 형성하고 교번적으로 일련의 제1 및 제2 층들(405, 406)을 구성하기 위해 차례로 여러 번 반복될 수 있다. 제1 및 제2 층들(405, 406)의 물질 및 설계는 도 5와 관련하에 이전에 설명되었다.
제4 프로세스(1304)는 결함 준비층(504)을 증착할 수 있다. 일 실시예에서, 결함 준비층(504)은 SiO2일 수 있고 PECVD를 통해 증착될 수 있지만 다른 물질 및 증착 기술이 또한 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 결함 준비층(504)은 더 두꺼운 SiO2층일 수 있다. 결함 준비층(504)의 두께는 결함 준비층(504) 처리 후에 결함층(407)의 두께에 의해 결정될 수 있다.
제5 프로세스(1305)는 제4 프로세스(1304) 후에 결함 준비층(504) 상에 하나 이상의 결함 포토리소그래피 층(503)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 결함 포토리소그래피 층(503)은 포토레지스트일 수 있고, 폴리머일 수 있다.
제6 프로세스(1306)는 결함 포토리소그래피 층(503)에 UV 노광을 적용할 수 있고, 이는 결함 준비층(504)을 투과할 수 있다. UV 방사선은 도 5의 범위(508)에 걸쳐 적용될 수 있고, UV 노광의 총 용량은 범위(508)에 걸쳐 달라질 수 있다. UV 노광의 가변 용량 전력 또는 가변 시간 용량이 적용될 수 있으며, 이는 가변 두께 결함층(407)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 8개 구간(division)에 대한 가변 용량 전력 레벨은 x, 7/8x, 6/8x, 최저로 1/8x 의 전력 레벨을 가질 수 있다. UV 노광의 가변 시간 용량은 동일한 전력 레벨 x를 가질 수 있고, 각 구간에 대해 t, 7/8t, 6/8t, 최저로 1/8t의 시간을 가질 수 있다. 함께, 제5 및 제6 프로세스들(1305, 1306)은 그레이스케일 포토리소그래피 기술로 알려질 수 있지만 다른 기술이 사용될 수도 있다.
제7 프로세스(1307)는 결함 포토리소그래피 층(503) 및 결함 준비층(504)의 에칭을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 건식 에칭이 사용될 수 있으며, 여기서 집속된 전자 빔이 결함 포토리소그래피 층(503) 및 결함 준비층(504)에 충돌하여 결함층(407)을 형성할 수 있다. 다른 에칭 기술이 사용될 수도 있다. 결함층(407)은 (위에 언급된 후속 처리 공정 이후) 가변 두께를 가질 수 있고, 가변 두께로 인해 가변 파장에서 광 분산을 허용할 수 있다. 일 실시예에서, 결함층(407)은 8단계의 두께들을 가질 수 있고, 8개의 상이한 두께 층들은 2 내지 5 nm의 서브-밴드(sub-band)에서 파장의 분산을 허용할 수 있다.
대안적 실시예에서, 도 5와 관련하여 논의된 바와 같이, 결함 준비층(504)으로부터 결함층(407)을 형성하기 위해 다중 라운드의 에천트 마스킹 및 에칭이 수행될 수 있다.
제8 프로세스(1308)는 제1 프로세스(1301)에서 설명된 것과 동일한 기술을 사용하여 결함층(407) 상에 제1 층(405)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 제1 층(405)은 제1 프로세스(1301)에서와 동일한 물질을 포함할 수 있고, 그 두께는 동일하거나 달라질 수 있다.
제9 프로세스(1309)는 제2 프로세스(1302)에서 설명된 것과 동일한 기술을 사용하여 제2 층(406)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 제2 층(406)은 프로세스(1302)에서와 동일한 물질을 포함할 수 있고, 그 두께는 동일하거나 달라질 수 있다.
제10 프로세스(1310)는 제8 및 제9 프로세스들(1308, 1309)의 제1 및 제2 층들(405, 406)을 원하는 대로 1회 이상 교대로 증착하는 것을 포함할 수 있다 (즉, 제1 및 제2 층들(405, 406)을 포함하는 필요한 수의 반복 층들을 형성하기 위해).
제11 프로세스(1311)는 캐핑 스택(506)을 증착하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 캐핑 스택(506)은 제1 층(405)의 물질을 포함할 수 있고, 더 긴 시간 주기로 제1 프로세스(1301)를 사용하여 증착될 수 있다. 캐핑 스택(506)은 TiO2일 수 있고 스퍼터링 방법을 통해 증착될 수 있다. 캐핑 스택(506)은 제1 및 제2 층들(405, 406)보다 실질적으로 두꺼울 수 있고, 그 안에 나노구조의 생성을 허용하기 위해 초기 층들/기판과 수평일 수 있다.
제12 프로세스(1312)는 캐핑 스택(506) 상에 리소그래피 마스크(507)를 증착하는 것을 포함할 수 있다. 리소그래피 마스크(507)는 포토레지스트일 수 있고, 폴리머일 수 있다.
제13 프로세스(1313)는 리소그래피 마스크(507)에 방사선을 적용할 수 있고 또한 이는 캐핑 스택(506)을 투과할 수 있다. 방사선은 전자빔 (e-beam) 리소그래피, UV 노광 또는 기타 방사선일 수 있다. 방사선은 리소그래피 마스크(507)에 적용될 수 있고, 방사선의 총 용량은 도 6에 도시된 바와 같이 나노홀들(601a-601n)을 생성하기 위해 패턴을 따를 수 있다. 나노홀들(601a-601n)을 형성하기 위해 방사선의 가변 용량 전력 또는 가변 시간 용량이 적용될 수 있다.
제14 프로세스(1314)는 리소그래피 마스크(507) 및 캐핑 스택(506)의 에칭을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 건식 에칭이 사용될 수 있고, 여기서 집속된 전자 빔이 리소그래피 마스크(507) 및 캐핑 스택(506)과 충돌하여 나노홀들(601-601n)을 형성할 수 있다. 다른 에칭 기술이 사용될 수도 있다.
본 발명의 실시예들 및 본 명세서에서 설명된 동작들은 본 명세서에 개시된 구조, 그들의 구조적 균등물 및 그들 중 하나 이상의 조합을 포함하여 디지털 전자 회로, 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 본명세서에 개시된 발명의 실시예들은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램, 즉 데이터 처리 장치에 의해 실행되거나 데이터 처리 장치의 동작을 제어하기 위해 컴퓨터 저장 매체에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 하나 이상의 모듈로서 구현될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 프로그램 명령들은 인위적으로 생성된 전파 신호(예를 들어, 데이터 처리 장치에 의해 실행되기에 적합한 수신 장치에 대한 전송을 위해 정보를 인코딩하도록 생성된 기계 생성(machine-generated) 전기적, 광학적, 또는 전자기적 신호)에 인코딩될 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독 가능 저장 장치, 컴퓨터 판독 가능 저장 기판, 랜덤 또는 직렬 액세스 메모리 어레이 또는 장치, 또는 이들의 조합일 수 있거나 그에 포함될 수 있다. 또한, 컴퓨터 저장 매체는 전파된 신호는 아니지만, 컴퓨터 저장 매체는 인위적으로 생성된 전파 신호에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 소스 또는 목적지가 될 수 있다. 또한, 컴퓨터 저장 매체는 하나 이상의 개별적 물리적 구성 요소 또는 매체(예를 들어, 다중 CD, 디스크 또는 다른 저장 장치)일 수 있거나 그에 포함될 수 있다. 추가적으로, 본 명세서에서 설명된 동작들은 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 저장 장치에 저장되거나 다른 소스로부터 수신된 데이터에 대해 데이터 처리 장치에 의해 수행되는 동작들로 구현될 수 있다.
본 명세서가 많은 특정한 구현의 세부 사항들을 포함할 수 있지만, 구현의 세부 사항들은 청구범위의 범주에 제한되어 해석되어서는 안되며, 오히려 특정 실시예의 구체적인 특징들을 설명하는 것으로 해석될 것이다. 또한, 별개의 실시예들의 맥락에서 본 명세서에 설명된 특정한 특징들은 단일 실시예에서 조합하여 구현될 수 있다. 역으로, 단일 실시예의 맥락에서 설명된 다양한 특징들은 다수의 실시예들에서 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합(subcombination)으로 구현될 수 있다. 더욱이, 특징이 특정 조합으로 작용하는 것으로 위에서 설명될 수 있고 심지어 처음에 그렇게 청구될 수도 있지만, 청구된 조합으로부터 하나 이상의 특징들이 경우에 따라 조합으로부터 삭제될 수 있고, 청구된 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변형으로 향할 수 있다.
유사하게, 동작들이 특정 순서로 도면에 도시되어 있지만, 이 같은 동작들이 도시된 특정한 순서로 또는 순차적인 순서로 수행될 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 원하는 결과를 달성하기 위해 도시된 모든 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안될 것이다. 특정한 상황에서는 멀티 태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수 있다. 더욱이, 위에서 설명된 실시예들에서 댜앙한 시스템 구성 요소의 분리는 모든 실시예들에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명된 프로그램 구성 요소 및 시스템은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품으로 결합되거나 다중 소프트웨어 제품들로 패키징될 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 본 발명의 특정 실시예들이 설명되었다. 다른 실시예들은 후술하는 청구범위의 범주 내에 있다. 일부 경우에, 청구범위에 명시된 동작들은 다른 순서로 수행될 수 있으며, 그럼에도 바람직한 결과를 얻을 수 있다. 추가적으로, 첨부된 도면에 도시된 공정은 바람직한 결과를 얻기 위해 도시된 특정한 순서 또는 순차적인 순서를 반드시 필요로 하는 것은 아니다. 특정 구현예에서, 멀티 태스킹 및 병렬 처리가 유리할 수 있다.
통상의 기술자에게 인식되는 바와 같이, 본 명세서에 설명된 혁신적인 개념은 응용 제품들의 넓은 범위에 걸쳐 수정 또는 변형될 수 있다. 따라서, 청구된 발명의 범주는 위에서 논의된 특정한 예시적인 교시 중 어느 하나로 제한되어서는 안되며, 대신 후술하는 청구범위에 의해 정의된다.
본 발명 개념의 실시예들은 제한없이 다음의 진술(statement)들로 확장될 수 있다:
진술 1 : 개구; 분산 어레이; 렌즈; 이미지 센서; 및 프로세서를 포함하는 이미지 센서.
진술 2 : 진술 1에 있어서, 상기 분산 어레이는 하나 이상의 분산 구조들을 더 포함하고, 상기 분산 구조는 제1 파장 범위의 빛을 산란시키고, 제2 파장 범위의 빛을 분산시킬 수 있는 이미지 센서.
진술 3 : 진술 2에 있어서, 적어도 2개의 분산 구조들은 결함층을 포함하고, 상기 적어도 2개의 분산 구조들의 상기 결함층들은 서로 다른 두께를 갖는 이미지 센서.
진술 4 : 진술 3에 있어서, 상기 분산 구조는 서로 다른 파장 범위를 분산시키는 상기 적어도 2개의 분산 구조들을 포함하는 이미지 센서.
진술 5 : 진술 3에 있어서, 상기 분산 구조들은 빛을 제1 방향으로 산란시키되, 제2 방향으로 산란시키지 않고 실질적으로 통과하도록 허용하는 이미지 센서.
진술 6 : 진술 3에 있어서, 상기 적어도 2개의 분산 구조들은 서로 다른 각도로 배치된 나노구조의 열들을 포함하는 이미지 센서.
진술 7 : 진술 3에 있어서, 상기 적어도 2개의 분산 구조들은 서로 동일한 각도로 배치된 나노구조의 열들을 포함하는 이미지 센서.
진술 8 : 진술 1에 있어서, 상기 이미지 센서는 상기 분산 어레이에 의해 분산된 파장으로부터 스펙트럼 데이터를 판독하는 이미지 센서.
진술 9 : 진술 8에 있어서, 상기 프로세서는 상기 스펙트럼 데이터로부터 스펙트럼을 재구성할 수 있는 이미지 센서.
진술 10 : 진술 1에 있어서, 상기 이미지 센서는 제1 픽셀 세트로부터 이미지 데이터를 판독하고, 제2 픽셀 세트로부터 스펙트럼 데이터를 판독하도록 논리적으로 세분화되는 이미지 센서.
진술 11 : 진술 10에 있어서, 상기 제1 픽셀 세트는 원을 포함하고, 상기 제2 픽셀 세트는 상기 제1 픽셀 세트의 상기 원과 동축인 고리를 포함하는 이미지 센서.
진술 12 : 진술 10에 있어서, 상기 프로세서는 상기 이미지 데이터로부터 이미지를 재구성하거나 상기 스펙트럼 데이터로부터 스펙트럼을 재구성하는 이미지 센서.
진술 13 : 진술 1에 있어서, 상기 분산 어레이는 입사광 입력 각도 범위의 범위에 걸쳐 입사광 입력에 대해 일정한 산란 및 분산 각도 범위를 제공하는 이미지 센서.
진술 14 : 진술 1에 있어서, 입사광 입력 각도 범위는 0 내지 +/- 15°인 이미지 센서.
진술 15 : 진술 2에 있어서, 산란 및 분산 각도 범위는 상기 제1 파장 범위에 대해 0 내지 +/- 15°이고, 상기 제2 파장 범위에 대해 0 내지 +/- 30°인 이미지 센서.
진술 16 : 진술 1에 있어서, 상기 렌즈는 메타렌즈인 이미지 센서.
진술 17 : 진술 1에 있어서, 상기 개구, 상기 분산 어레이 및 상기 렌즈는 함께 통합된 이미지 센서.
진술 18 : 센서로부터 데이터를 얻는 방법으로서, 입사광을 수신하는 것; 산란광을 생성하기 위해 산란층을 통해 상기 입사광을 산란시키는 것; 분산광을 생성하기 위해 상기 산란광의 서브세트를 분산층을 통해 분산시키는 것; 이미지 센서에서 상기 분산광을 수신하는 것; 및 상기 분산광으로부터 스펙트럼 데이터를 재구성하는 것을 포함하는 방법.
진술 19 : 진술 18에 있어서, 상기 입사광은 가시광선 또는 근적외선(NIR) 스펙트럼으로부터의 빛을 포함하는 방법.
진술 20 : 진술 18에 있어서, 상기 이미지 센서에서 상기 산란광을 수신하는 것; 및 상기 산란광으로부터 이미지를 재구성하는 것을 더 포함하는 방법.
진술 21 : 진술 18에 있어서, 상기 스펙트럼 데이터는 상기 근적외선(NIR) 스펙트럼으로부터의 빛을 포함하는 방법.
진술 22 : 진술 18에 있어서, 상기 입사광은 나노구조 표면을 포함하는 상기 산란층에 의해 산란되는 방법.
진술 23 : 진술 18에 있어서, 상기 산란광의 상기 서브세트는 분포 브래그 필터(distributed Bragg filter)에 의해 분산되는 방법.
진술 24 : 진술 18에 있어서, 이미지 및 스펙트럼 데이터는 동시에 재구성되는 방법.
진술 25 : 타겟 파장의 0° 분산으로 시작하는 타겟 파장 범위의 빛을 분산시키는 적어도 하나의 분산 구조를 포함하되, 상기 분산 구조는 나노구조층 및 필터층을 포함하는 분산 어레이.
진술 26 : 진술 25에 있어서, 상기 나노구조층은 나노홀들, 나노막대들 또는 나노안테나들을 포함하는 분산 어레이.
진술 27 : 진술 25에 있어서, 상기 나노구조층은 유전체 또는 플라즈모닉 물질인 분산 어레이.
진술 28 : 진술 25에 있어서, 상기 분산 구조는 상기 타겟 파장 범위와 관련된 빛을 산란 및 분산하도록 조정되는 분산 어레이.
진술 29 : 진술 25에 있어서, 상기 나노구조층은 나노구조 열들을 더 포함하고, 각각의 상기 나노구조 열은 서로 평행한 분산 어레이.
진술 30 : 진술 29에 있어서, 각각의 상기 나노구조 열은 나노홀들을 더 포함하는 분산 어레이.
진술 31 : 진술 30에 있어서, 상기 나노홀들은 TiO2의 층에 있는 분산 어레이.
진술 32 : 진술 30에 있어서, 상기 나노홀들의 반경은 상기 분산 구조의 상기 타겟 파장 범위에서의 타겟 파장의 절반 이하인 분산 어레이.
진술 33 : 진술 30에 있어서, 각각의 상기 나노홀이 상기 나노구조 열 내에 충분히 서로 가깝게 이격되어 상기 타겟 파장 범위가 산란이 거의 또는 전혀 없이 1차원으로 상기 나노구조 열을 통과할 수 있도록 하는 분산 어레이.
진술 34 : 진술 29에 있어서, 상기 나노구조 열들은 최소 거리 및 최대 거리 사이에 분포되는 분산 어레이.
진술 35 : 진술 31에 있어서, 상기 나노구조 열들은 최소 거리 및 최대 거리 사이에 랜덤하게 분포되는 분산 어레이.
진술 36 : 진술 34에 있어서, 상기 나노구조 열들 사이의 상기 최대 거리는 상기 분산 구조의 타겟 파장 길이의 절반인 분산 어레이.
진술 37 : 진술 25에 있어서, 상기 필터층은 분포 브래그 반사기, 유전체 거울, 섬유 브래그 격자 또는 반도체 브래그 거울을 포함하는 분산 어레이.
진술 38 : 진술 25에 있어서, 상기 필터층은 스택 층을 형성하기 위해 서로 교번적으로 쌓인, 적어도 제1 두께 및 제1 물질의 제1 층 및 제2 두께 및 제2 물질의 제2 층을 포함하는 분산 어레이.
진술 39 : 진술 38에 있어서, 상기 제1 층은 TiO2를 포함하고, 상기 제2 층은 SiO2를 포함하는 분산 어레이.
진술 40 : 진술 38에 있어서, 적어도 두 세트의 상기 스택 층들이 있는 분산 어레이.
진술 41 : 진술 38에 있어서, 상기 스택 층들은 상기 분산 구조의 타겟 파장의 빛을 분산시킬 수 있는 분산 어레이.
진술 42 : 진술 38에 있어서, 상기 분산 어레이는 둘 이상의 분산 구조들을 포함하고, 적어도 하나의 분산 구조는 결함층을 포함하는 분산 어레이.
진술 43 : 진술 42에 있어서, 상기 분산 어레이는 상기 결함층들을 포함하는 다중 분산 구조들을 포함하고, 적어도 2개의 분산 구조들은 서로 다른 두께의 상기 결함층들을 갖는 분산 어레이.
진술 44 : 기판 상에 제1 필터 스택을 증착하는 것; 결함층을 증착하는 것; 제2 필터 스택을 증착하는 것; 캐핑 스택을 증착하는 것; 및 상기 캐핑 스택으로부터 나노구조를 형성하는 것을 포함하는 분산 어레이의 제조방법.
진술 45 : 진술 44에 있어서, 상기 제1 필터 스택을 증착하는 것은 제1 물질 조성의 적어도 하나의 제1 층 및 제2 물질 조성의 적어도 하나의 제2 층을 증착하는 것을 포함하는 분산 어레이의 제조방법.
진술 46 : 진술 45에 있어서, 상기 제1 층은 1.3 내지 1.6 사이의 굴절률을 갖는 유전체 물질인 분산 어레이의 제조방법.
진술 47 : 진술 45에 있어서, 상기 제2 층은 1.6 내지 2.7 사이의 굴절률을 갖는 유전체 물질인 분산 어레이의 제조방법.
진술 48 : 진술 44에 있어서, 상기 결함층은 그레이스케일 포토리소그래피 기술에 의해 에칭되는 분산 어레이의 제조방법.
진술 49 : 진술 44에 있어서, 상기 결함층은 상기 제1 필터 스택에 사용된 물질을 포함하는 분산 어레이의 제조방법.
진술 50 : 진술 44에 있어서, 상기 나노구조는 전자 빔 리소그래피 또는 포토리소그래피를 통해 형성되는 분산 어레이의 제조방법.
진술 51 : 진술 44에 있어서, 상기 나노구조는 하나 이상의 분산 구조들로 형성되는 분산 어레이의 제조방법.
진술 52 : 진술 51에 있어서, 상기 결함층은 다중 분산 구조들에 대해 다른 두께로 에칭되는 분산 어레이의 제조방법.

Claims (28)

  1. 타겟 파장의 0° 분산으로 시작하는 타겟 파장 범위의 빛을 분산시키는 적어도 하나의 분산 구조를 포함하되,
    상기 분산 구조는:
    나노구조층; 및
    필터층을 포함하는 분산 어레이.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조층은 나노홀들, 나노막대들 또는 나노안테나들을 포함하는 분산 어레이.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조층은 유전체 또는 플라즈모닉 물질인 분산 어레이.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분산 구조는 상기 타겟 파장 범위의 빛을 산란 및 분산하도록 조정되는 분산 어레이.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조층은 나노구조 열들을 더 포함하고, 상기 나노구조 열들은 서로 평행한 분산 어레이.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 나노구조 열들은 나노홀들을 더 포함하는 분산 어레이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노홀들은 TiO2의 층에 형성된 분산 어레이.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 나노홀들의 반경은 상기 분산 구조의 상기 타겟 파장 범위에서의 타겟 파장의 반경의 절반 이하인 분산 어레이.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 나노홀들은 상기 나노구조 열 내에 충분히 서로 가깝게 이격되어 상기 타겟 파장 범위가 산란이 없이 1차원으로 상기 나노구조 열을 통과할 수 있도록 하는 분산 어레이.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 나노구조 열들은 최소 거리 및 최대 거리 사이에 분포되는 분산 어레이.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 나노구조 열들은 최소 거리 및 최대 거리 사이에 랜덤하게 분포되는 분산 어레이.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 나노구조 열들 사이의 상기 최대 거리는 상기 분산 구조의 상기 타겟 파장 범위의 가장 긴 파장 길이의 절반인 분산 어레이.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 필터층은 분포 브래그 반사기, 유전체 거울, 섬유 브래그 격자 또는 반도체 브래그 거울을 포함하는 분산 어레이.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 필터층은 스택 층을 형성하기 위해 서로 교번적으로 쌓인, 적어도 제1 두께 및 제1 물질의 제1 층 및 제2 두께 및 제2 물질의 제2 층을 포함하는 분산 어레이.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 층은 TiO2를 포함하고, 상기 제2 층은 SiO2를 포함하는 분산 어레이.
  16. 제14항에 있어서,
    적어도 두 세트의 상기 스택 층들이 있는 분산 어레이.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 스택 층들은 상기 분산 구조의 상기 타겟 파장 범위의 빛을 분산시킬 수 있는 분산 어레이.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 분산 어레이는 둘 이상의 분산 구조들을 포함하고, 적어도 하나의 분산 구조는 결함층을 포함하는 분산 어레이.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 분산 어레이는 상기 결함층들을 포함하는 다중 분산 구조들을 포함하고, 적어도 2개의 분산 구조들은 서로 다른 두께의 상기 결함층들을 갖는 분산 어레이.
  20. 기판 상에 제1 필터 스택을 증착하는 것;
    결함층을 증착하는 것;
    제2 필터 스택을 증착하는 것;
    캐핑 스택을 증착하는 것; 및
    상기 캐핑 스택에 나노구조를 형성하는 것을 포함하는 분산 어레이의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 필터 스택을 증착하는 것은, 제1 물질 조성의 적어도 하나의 제1 층 및 제2 물질 조성의 적어도 하나의 제2 층을 증착하는 것을 포함하는 분산 어레이의 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 물질은 1.3 내지 1.6 사이의 굴절률을 갖는 분산 어레이의 제조방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제2 물질은 1.6 내지 2.7 사이의 굴절률을 갖는 유전체 물질인 분산 어레이의 제조방법.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 결함층은 그레이스케일 포토리소그래피 기술에 의해 에칭되는 분산 어레이의 제조방법.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 결함층은 상기 제1 필터 스택에 사용된 물질을 포함하는 분산 어레이의 제조방법.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 나노구조는 전자 빔 리소그래피 또는 포토리소그래피를 통해 형성되는 분산 어레이의 제조방법.
  27. 제20항에 있어서,
    상기 나노구조는 하나 이상의 분산 구조들로 형성되는 분산 어레이의 제조방법.
  28. 제20항에 있어서,
    상기 결함층은 다중 분산 구조들에 대해 다른 두께로 에칭되는 분산 어레이의 제조방법.






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